牛血清蛋白与医用金属材料表面相互作用及改性研究

摘要

体液环境中蛋白质会自发、快速地吸附在材料表面形成蛋白膜。蛋白质吸附作为生物材料与生理环境相互作用的第一步，是探究生物材料生物相容性的重要内容。本论文针对传统惰性医用金属材料钴基合金MP35N和活性医用金属材料镁金属，选用牛血清蛋白（BSA）为模型蛋白，利用激光共聚焦显微镜（LSCM）研究了BSA在不同金属材料表面的吸附，并借助扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱、电化学阻抗等多种技术手段研究了蛋白质吸附对金属材料表面结构及性能的影响。在此基础上，利用高分子聚碳酸酯（PC）和聚乳酸（PLA）并结合微弧氧化技术（MAO）对镁合金AZ31表面改性，制备复合膜，借助SEM、接触角分析仪等对复合膜表面结构进行表征，通过动电位极化曲线分析复合膜表面抗腐蚀性能，同时探究了复合膜表面的抗蛋白吸附和抗菌性能。结果如下： 1）随着BSA浓度的增加，蛋白质在MP35N合金表面吸附量增多。蛋白质膜结构由部分覆盖或完全覆盖基底表面的单层膜结构逐渐转为多层膜结构。蛋白质吸附后，MP35N合金表面氧化膜中Cr含量明显增加，而Fe含量相对减少。蛋白质吸附整体促进MP35N合金表面金属离子的释放，但影响程度与金属元素种类有关。蛋白质吸附降低MP35N合金表面的抗腐蚀性能，其影响程度与表面蛋白膜结构有关。此外，蛋白质吸附有利于MP35N合金表面成骨细胞的黏附且蛋白膜结构为多层膜时，黏附效果更好。 2）蛋白质浓度和作用时间都会影响BSA在镁表面的吸附。蛋白质吸 附与镁表面结构变化二者互相作用。体现在，随作用时间延长，镁表面粗糙度增加，蛋白质膜厚度增加，同时蛋白质与镁表面络合很可能加速点蚀的发生，导致表面生成大量腐蚀产物，其主要成分为氧化镁。蛋白质吸附会整体降低镁表面抗腐蚀性，而且其降低程度很可能与表面蛋白膜结构有关。 3）微弧氧化获得AZ31-MAO陶瓷膜，可提高AZ31抗腐蚀性。在此基础上，涂覆高分子PC/PLA，获得复合膜不但有效降低陶瓷膜表面粗糙度，而且进一步提高了AZ31 表面的抗腐蚀性能，且 PC/PLA 涂覆三层，PC:PLA=0.3:1时，抗腐蚀效果最好。复合膜表面疏水性相较于镁合金基底显著提高，且表现出抗蛋白吸附的性质。同时，复合膜对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌性。多功能复合膜层的制备在改善AZ31表面性质的同时，使之在生物医学领域具有更为广阔的应用前景。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 生物医用材料的发展及应用

1.2 医用惰性金属材料钴基合金的性质及应用

1.3 医用活性金属材料镁及镁合金的优缺点及研究现状

1.3.1 镁及镁合金的优缺点

1.3.2 镁及镁合金的研究现状

1.4 蛋白质在固体表面吸附研究进展

1.4.1 蛋白质吸附过程

1.4.2 蛋白质吸附的驱动力

1.4.3 蛋白质的吸附及其影响因素

1.4.4 蛋白质吸附对材料表面结构及性能的影响

1.5 镁合金表面改性方法的研究进展

1.5.1 微弧氧化法

1.5.2 磁控溅射法

1.5.3 化学气相沉积法

1.6 可降解医用绿色高分子材料的发展及应用

1.7 本课题的主要内容、研究意义及创新点

1.7.1 本课题主要内容

1.7.2 实验方案

1.7.3 研究意义及创新点

第二章 牛血清蛋白吸附对MP35N表面成分、腐蚀和细胞黏附性的影响

2.1 引言

2.2 主要实验设备

2.3 试剂及耗材

2.4 实验材料及方法

2.4.1 实验材料

2.4.2 蛋白质吸附实验

2.4.3 XPS分析

2.4.4 离子析出

2.4.5 电化学测试

2.4.6 细胞黏附

2.5 实验结果与讨论

2.5.1 蛋白质吸附

2.5.2 蛋白质吸附对试样表面成分的影响

2.5.3 蛋白质吸附对离子释放的影响

2.5.4 蛋白质吸附对腐蚀性能的影响

2.5.5 蛋白质吸附对MP35N合金表面细胞黏附的影响

2.6 本章小结

第三章 牛血清蛋白吸附对镁金属表面结构和腐蚀性能的影响

3.1 引言

3.2 实验设备

3.3 主要实验试剂及耗材

3.4 主要实验材料与方法

3.4.1 实验材料

3.4.2 蛋白质吸附实验

3.4.3 试样表征

3.4.4 腐蚀性能测试

3.5 实验结果及讨论

3.5.1 蛋白质吸附

3.5.2 牛血清蛋白吸附对镁表面组织结构的影响

3.5.3 牛血清蛋白吸附对镁表面抗腐蚀性能的影响

3.6 本章小结

第四章 AZ31镁合金表面MAO-PC/PLA复合膜层的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验设备

4.3 主要实验试剂及耗材

4.4 实验材料与方法

4.4.1 实验材料及制备方法

4.4.2 试样表征

4.4.3 动电位极化曲线

4.4.4 蛋白质吸附

4.4.5 抗菌实验

4.5 实验结果与讨论

4.5.1 优选复合膜

4.5.2 表面结构表征

4.5.3 BSA吸附

4.5.4 抗菌实验

4.6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的学术论文