医用钛表面氧化石墨烯薄膜水热处理及性能研究

摘要

钛及其合金具有良好的延展性、低的弹性模量、易加工成型和生物相容性好等优点，广泛应用于外科临床植入体。但钛及其合金属于生物惰性材料，成骨性能差，且无抗菌性。欲进一步改善钛材料植入效果，需对医用钛进行适当的表面改性，以赋予其成骨性能和抗菌性。氧化石墨烯是一种具有良好生物相容性的二维片状材料，其对细胞和细菌能够产生一定的物理刺激，既能够促进骨髓间充质干细胞的成骨分化，又具有良好的抗菌性能，且不会产生细菌耐药性。钛表面构建氧化石墨烯薄膜，可使医用钛兼具成骨和抗菌的功能，为钛材料表面功能化提供思路。 氧化石墨烯表面具有羧基、羟基和环氧基等含氧官能团，羧基电离使氧化石墨烯带负电，通过吸附电解液中的金属阳离子，氧化石墨烯在电解液中呈正电性。因此，以钛片为阴极，石墨为阳极，含氧化石墨烯和金属离子的乙醇溶液为电解液，可通过阴极电泳沉积技术在钛表面构建氧化石墨烯薄膜。基于此，本论文采用阴极电泳沉积技术在钛表面构建氧化石墨烯薄膜，探究不同水热处理条件对氧化石墨烯薄膜生物学性能的影响规律。论文主要内容有: (1)探索最佳电泳沉积工艺条件，制备出均匀吸附金属离子的氧化石墨烯薄膜;分别采用尿素和氢氧化钠的水溶液对氧化石墨烯薄膜进行水热处理;研究两种不同水热处理氧化石墨烯薄膜对大鼠骨髓间充质干细胞体外成骨分化的影响规律。结果表明，电泳沉积氧化石墨烯薄膜表面具有纳米级褶皱结构;经尿素水热处理后，制得氮掺杂氧化石墨烯薄膜，该薄膜的褶皱更加明显生成;经氢氧化钠水热处理后的薄膜表面呈纳米片阵列结构，生成氧化石墨烯插层的金属双氢氧化物复合结构。细胞培养结果显示，尿素水热处理的氧化石墨烯薄膜更有利于大鼠骨髓间充质干细胞的增殖及分化，氢氧化钠水热处理的氧化石墨烯薄膜虽然一定程度上抑制了大鼠骨髓间充质干细胞的增殖，但表现出一定的促成骨分化效果。 (2)探究不同浓度尿素水热处理对氧化石墨烯薄膜抗菌性能以及细胞相容性的影响规律。结果显示，氧化石墨烯薄膜能够通过产生活性氧，显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的粘附和生长，细菌抑制率达到100％。尿素水热处理，获得氮掺杂的氧化石墨烯薄膜;尿素浓度越大，氧化石墨烯结构被破坏的程度越大，产生活性氧的能力减弱，因而逐渐丧失抗菌性能。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2生物医用钛材料及其生物医学应用

1．2．1钛及其合金的物化性能

1．2．2钛及其合金的生物学应用

1．3生物医用钛材料的表面改性

1．3．1表面改性概述

1．3．2表面改性方法

1．3．3阴极电泳沉积

1．4石墨烯

1．4．1石墨烯的结构和性能

1．4．2石墨烯的制备方法

1．4．3化学掺杂

1．5氧化石墨烯

1．5．1氧化石墨烯的结构和性能

1．5．2氧化石墨烯的制备方法

1．6石墨烯和氧化石墨烯在生物学上的应用

1．7论文的研究内容和目的

第2章不同碱热处理氧化石墨烯薄膜构建与生物性能评价

2．1引言

2．2实验内容和方法

2．2．1样品制备

2．2．2表面形貌和成分表征

2．2．3物化性能测试

2．2．4细胞相容性评估

2．2．5成骨活性评价

2．2．6统计学分析

2．3结果

2．3．1表面表征

2．3．2物化性能测试

2．3．3细胞相容性

2．3．4成骨活性评价

2．4讨论

2．5本章小结

第3章氮掺杂氧化石墨烯薄膜的构建与生物性能评价

3．1引言

3．2实验内容和方法

3．2．1样品制备

3．2．2表面形貌和成分表征

3．2．3物化性能测试

3．2．4抗菌性能

3．2．5细胞相容性评估

3．2．6统计学分析

3．3结果

3．3．1表面表征

3．3．2物化性能测试

3．3．3抗菌性能评价

3．3．4大鼠骨髓间充质干细胞相容性

3．4讨论

3．5本章小结

4．1结论

4．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢