钛合金材料表面阳极氧化和微弧氧化改性涂层的构建及生物学研究

摘要

研究背景:
　　目前,钛合金材料(Ti6Al4V)内植物已成为最主要的医用金属内植物组成之一,然而其生物活性尚不够理想,在内植物—骨组织结合界面的成骨效果存在进一步提高的可能。如何通过金属材料表面改性技术,在钛合金材料表面制备具有较高生物学活性的新型涂层,成为提高医用金属内植物材料的生物学活性以及其生物体内成骨效果的关键点。
　　通过回顾文献,我们认为阳极氧化法和微弧氧化法(MAO—Micro-arc oxidation)是提高医用钛合金内植物表面生物学活性较为理想的选择。阳极氧化技术利用电化学处理法制备二氧化钛(TiO2)纳米管(NT-nanotube),工艺流程简单,适合应用于形状复杂的医用钛合金内植物表面,通过调整制备工艺参数,能够使TiO2-NT的管径在几十到几百纳米范围内变化;另一方面,通过MAO技术能够在医用钛合金材料表面制备微孔凹陷及微米级氧化层,并在其表面形成的特异性氧化膜中加入钙和磷,从而提高内植物材料表面涂层的生物学活性。关于上述两种表面改性技术的体外细胞研究很多,一些研究表明与成骨细胞共培养能够不同程度地提高其粘附、增殖和分化的能力,同样也有学者持不同观点,但究竟哪种改性方法具备更好的生物学活性尚无定论。此外,相关的动物体内研究报道很少,哪种表面改性技术具备更好的内植物—骨组织界面结合力,进而获得更好的体内成骨效果同样缺少明确的研究结果支持。
　　本实验拟基于探索具备更好生物学活性和体内成骨效果的医用内植物材料表面涂层,比较两种医用钛合金内植物表面改性涂层的体外生物学活性和体内成骨效果的优劣,初步评价其临床应用前景。
　　研究目的:
　　采用两种表面改性方法处理钛合金试样,通过将试样与大鼠成骨细胞体外共培养和植入兔股骨髁部进行体内观察,以评价两种表面改性技术对成骨细胞功能的影响和动物体内早期成骨能力及骨修复效果,从而初步评价其临床应用前景。
　　研究方法:
　　1.采用阳极氧化法和微弧氧化法两种表面改性技术对钛合金试样进行改性处理,并设立未进行处理的钛合金试样作为对照组。
　　2.场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察各组试样的表面形貌特征,并检测试样表面的晶相结构、水接触角和表面能。
　　3.传代培养SD大鼠仔鼠原代成骨细胞(osteoblasts,OB),将3代细胞接种于各组试样表面,评价OB在不同试样表面贴附、增殖和分化的能力。
　　4.将各组试样植入兔股骨髁部缺损,在不同的时间点行大体观察、荧光电镜观察、组织学分析和内植物推出实验。
　　研究结果:
　　1.采用阳极氧化技术能够在钛合金试样表面成功构建具备不同管径TiO2-NT的表面形貌,微弧氧化技术可以在试样表面制备微米级的氧化膜层形貌。
　　2.各组试样的形貌表征研究中,XRD测试结果表明,阳极氧化试样表面的TiO2-NT结构是由无定形的TiO2组成,MAO处理试样表面氧化膜层的元素晶像构成为:膜层中 TiO2的大部分是由金红石型和锐钛矿型 TiO2所组成;阳极氧化组与MAO组和对照组相比,其水接触角明显减小,表面能显著提高(p<0.05),MAO组试样与对照组相比,水接触角减小且表面能增高(p<0.05)。
　　3.成骨细胞在阳极氧化组试样表面的粘附、增殖和分化能力均显著优于MAO组和对照组(p<0.05),20V阳极氧化处理所制备的70 nm的TiO2-NT具有最佳的促进成骨细胞早期贴附和增殖的能力(p<0.05)。
　　4.荧光电镜观察结果显示:试样植入4周时在阳极氧化组试样表面被致密均匀的新生骨组织覆盖,并且看到桔红色标记物的出现,而MAO组试样表面有少量骨组织生成,对照组表面生成的骨组织更少,然而两组中均未产生桔红色标记物;植入8周时,各组试样表面新生的骨组织进一步增加,阳极氧化组表面的骨组织更加均匀致密,不断向外周生长。
　　5.组织学分析结果显示:随试样植入时间的延长各组试样表面新生骨组织不断增加,分别在植入4周、8周和12周时,阳极氧化组试样表面覆盖生长了更加致密并且均匀分布的新生骨组织。
　　6.内植物推出实验结果表明:试样植入2周、4周和12周时,阳极氧化组试样的最大推出载荷及剪切强度均显著高于MAO组和对照组(p<0.05);植入2周和4周时,三组阳极氧化试样中,20 V电压处理组具有最大的推出载荷和剪切强度(p<0.05);然而植入2周时,MAO组试样的两项指标稍高于对照组(p>0.05)。
　　结论:
　　1.通过阳极氧化技术能够在医用钛合金材料表面制备不同管径(20-100nm)的TiO2-NT形貌特征,利用MAO技术可以在钛合金材料表面成功构建微米级氧化膜层形貌。
　　2.体外细胞实验表明,钛合金材料的纳米级形貌特征能够显著提高成骨细胞的粘附、增殖和分化能力,其中70nm管径的TiO2-NT具备最优的生物学活性。
　　3.动物体内实验证明,钛合金材料的纳米级形貌特征能够显著地促进早期成骨,具有更好的内植物—骨组织界面稳定性,其中70nm管径的TiO2-NT具有最佳的骨缺损修复效果。
　　4.通过阳极氧化表面改性技术构建的TiO2-NT形貌特征,可以显著提高内植物表面的生物学活性,能够更好地促进内植物周围早期成骨,并且具有更理想的内植物—骨组织界面稳定性,为医用钛合金内植物表面TiO2-NT涂层在临床上的初步应用提供了理论依据。

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文献回顾

正文

实验一钛合金材料表面纳米和微米级涂层的制备

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

实验二钛合金材料表面纳米和微米级涂层的形貌表征研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

实验三钛合金材料表面纳米和微米级涂层的细胞学研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

实验四钛合金材料表面纳米和微米级涂层的动物体内研究

1 材料

2 方法

3 结果

4 讨论

小结

参考文献

个人简历和研究成果

致谢