钛及钛合金表面生物活性磷酸盐转化膜的制备与表征

摘要

钛（Ti）基植入体本身及其表面膜层的早期失效已成为迫切需要解决的问题，界面结合牢固、结构易于调控、成骨能力强的表面改性层对于提高其长期临床疗效具有重要科学意义和使用价值。钙磷酸盐是骨骼和牙齿的主要无机成分，因具有良好的生物相容性和生物活性，被广泛用于临床。锌元素是人体微量元素之一，其缓慢释放能促进骨的形成和加快患者的康复。因此，在Ti表面形成一层具有生物活性的锌-钙磷酸盐，可以有效提高植入体表面成骨能力。化学转化法是一种通过金属与溶液界面发生复杂的化学和电化学反应而在金属表面转化成膜的技术，由于该技术成膜速度快，工艺简便并适应各种无规则外形的基体，而且形成的转化膜与基体结合牢固，近二十年来在生物医学领域的研究已引起关注。
　　本研究利用化学转化膜独特的原位生长方式以及界面与组分特点，通过物相与微结构调控，以晶体微纳尺度结构及生物活性相磷酸锌(Hopeite，Zn3(PO4)2·4H2O)、磷酸锌钙(Scholzite，CaZn2(PO4)2·2H2O)、磷酸氢钙(Brushite，CaHPO4·2H2O)与羟基磷灰石(Hydroxyapatite，Ca10(PO4)6(OH)2，HA)为研究重点，利用X射线衍射仪(XRD)、红外光谱分析仪(FTIR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、原子力显微镜(AFM)及电化学工作站等分析测试方法，研究了电耦合、Fe2+以及超声机械效应对Ti表面化学转化的成膜诱导和动力学过程，分析了转化液pH值、温度、时间、后处理工艺以及基体合金元素和几何外形对转化膜物相、微结构以及物化性能的影响，在此基础上，在Ti表面构建了含有不同锌-钙物相组成的转化膜并对其物相结构和物化性能进行了系统表征，通过体外成骨细胞培养和抑菌试验，揭示了相组成、多尺度结构对成骨细胞反应和抑菌作用的影响规律和机理。
　　研究结果表明，Ti与Fe形成电耦合体系能够提供化学转化反应的初始动力，诱导Ti表面成膜，成膜速率的提高和质量的改善需借助增加转化液Fe2+浓度(适宜铁粉添加量5.0-7.5 g/L)以及超声场辅助完成。通过分析转化过程中溶液pH值、离子浓度及电位的变化，得出Ti表面化学转化的动力学过程分为六个阶段，即耦合阳极Fe腐蚀阶段、耦合阳极Fe表面结晶生长和耦合阴极Ti表面非晶相沉积阶段、Ti基体表面结晶和生长阶段、耦合阴阳极互相转换和成膜完善阶段以及转化膜生长、溶解平衡阶段。
　　适当升高温度和延长转化时间有利于膜生成和晶粒细化。Zn-P转化膜需要在较低pH值条件(2.50-3.25)下形成，而Ca-P转化膜需要的pH值较高(3.50以上)。55℃，30 min条件下能够得到结构最为完整、晶粒细小均匀、结合力和耐蚀性良好的Zn-P和Ca-Zn-P转化膜，60℃，30 min，pH=5.00条件下可以制备得到厚度为纳米尺度的纤维状Ca-P转化膜。后处理方式对转化膜物相成分影响较小，但可以对转化膜晶体形貌产生一定影响，一般而言，先清洗后烘干的后处理方式能够得到较为完整和均匀的转化膜。与纯Ti基体相比，在Ti-6Al-4V表面形成的Ca-Zn-P转化膜含Zn量较高，形成的转化膜结构更为均匀细密，结合强度和耐蚀性更高。另外，通过化学转化工艺可以在复杂螺纹型Ti牙种植体表面制备得到一层完整连续的转化膜。
　　在Ti表面构建的生物活性转化膜具有不同相组成和HA相转化趋势，Zn-P转化膜主要相组成为Hopeite，Ca-Zn-P转化膜主要相组成为Scholzite，Ca-P转化膜主要相组成为Brushite。通过钙鳌合液和碱液处理，可以分别在Ca-Zn-P和Ca-P转化膜表面实现HA相的二次转化，形成的HA相具有纳米尺度晶体组态。转化膜厚度约为5-20μm，属于轻量级和次重量级薄膜，其中Ca-Zn-P转化膜最薄。转化膜表面粗糙度较大(Rq=70-140 nm)，其中Zn-P转化膜晶体表面粗糙度最大。转化膜表现出良好的润湿性能，其表面对去离子水接触角为15-52°，其中经过碱液处理后得到的Ca-P-OH转化膜润湿性能最好。转化膜具有较高的膜基界面结合强度和膜自结合强度，通过划痕法测得临界载荷值范围约为55-70 N。转化膜在模拟体液和生理盐水中均表现出较高的耐蚀性能。
　　体外抑菌试验证明，Ca-Zn-P转化膜能够赋予Ti基体良好的抑菌性能，尤其是在较短时间内(0-8 h)，对金黄色葡萄球菌和绿脓杆菌表现出明显的抑菌作用。体外细胞培养试验证明，转化膜没有细胞毒性，成骨细胞可在转化膜表面黏附、生长、增殖和分化，并促进碱性磷酸酶活性、型胶原和骨钙素等成骨细胞特异性功能表达。转化膜改善了Ti材料与成骨细胞之间的作用，其中Ca-Zn-P转化膜成骨细胞响应性最好。因此，本研究在Ti表面构建的转化膜表现出良好的生物活性、生物相容性和抗菌性，尤其是Ca-Zn-P转化膜可以作为潜在的生物医用材料。

目录

声明

摘要

缩略语说明

第1章 绪论

1．2 钛及其合金的研究及医学应用

1．2．1 钛的理化性能

1．2．2 钛及其合金在生物医学的应用

1．2．3 钛基植入体的使用缺陷

1．3 钛及其合金表面改性技术

1．3．1 形态学方法

1．3．2 表面涂层方法

1．4 磷酸盐化学转化技术

1．4．1 基本原理

1．4．2 磷酸盐转化膜的分类及应用

1．5 钛表面磷酸盐化学转化的研究

1．6 磷酸盐化学转化技术在医用领域的研究

1．6．1 转化膜主要物相组成

1．6．2 生物医用转化膜性能和评价

1．7 存在的主要问题

1．8 本文的主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2．1．2 基体材料

2．1．3 基体材料预处理

2．2 转化液的化学成分

2．3 化学转化工艺

2．3．3 化学转化工艺过程

2．3．4 羟基磷灰石相二次转化

2．4 显微结构与物相成分分析

2．4．3 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．4 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)

2．5．3 接触角

2．5．4 溶液中元素含量

2．5．5 电化学性能

2．6 抑菌试验

2．6．1 菌种及主要实验材料

2．6．2 试验方法

2．7 成骨细胞实验

2．7．1 细胞及主要试剂

2．7．2 细胞响应性检测

2．8 数据统计分析

第3章 钛表面化学转化的成膜诱导与动力学过程

3．1 引言

3．2．1 对形貌及物相的影响

3．2．2 电耦合诱导成膜机制

3．3 亚铁离子诱导成膜

3．3．1 对形貌及物相的影响

3．3．2 对结合强度的影响

3．3．3 亚铁离子诱导成膜机制

3．4 超声与机械效应诱导成膜

3．4．1 对形貌的影响

3．4．2 超声与机械效应诱导成膜机制

3．5 钛／铁电耦合体系的化学转化成膜理论分析

3．5．1 溶液离子浓度与pH值变化

3．5．2 钛／铁耦合体系化学转化动力学过程

3．6 本章小结

第4章 工艺因素与基体对转化膜物相结构与性能的影响

4．1 引言

4．2 转化液pH值对转化膜物相结构和性能的影响

4．2．1 对物相的影响

4．2．2 对形貌结构的影响

4．2．3 对膜厚和结合强度的影响

4．2．4 对耐蚀性的影响

4．3 转化温度对转化膜物相结构和性能的影响

4．3．1 对物相和形貌结构的影响

4．3．2 对结合强度的影响

4．4 转化时间对物相与形貌结构的影响

4．5 后处理方式对物相与形貌结构的影响

4．6 基体合金元素与几何外形对成膜的影响

4．6．1 纯Ti与Ti-6Al-4V表面化学转化对比分析

4．6．2 纯Ti牙种植体表面的化学转化

4．7 本章小结

第5章 钛表面羟基磷灰石膜层的构建与转化膜性能对比研究

5．2．1 磷灰石相的一次转化

5．2．2 磷灰石相的二次转化

5．2．3 磷灰石相二次转化的机理分析

5．3 不同物相转化膜的成分结构与性能对比

5．3．1 形貌与显微结构

5．3．2 化学成分

5．3．3 膜厚与横截面

5．3．4 表面粗糙度和晶体台阶结构

5．3．5 表面润湿性

5．3．6 结合强度

5．3．7 耐蚀性能

5．4 本章小结

第6章 钛表面化学转化膜的生物学性能评价

6．1 引言

6．2 在模拟体液中降解行为

6．2．1 物相组成

6．2．2 微观结构与形态

6．3 抑菌性能

6．4 成骨细胞响应

6．4．1 细胞黏附与形态

6．4．2 细胞增殖与活性

6．4．3 成骨细胞分化功能表达

6．5 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文及发明专利

参与研究课题与获奖情况