微纳米结构的钛表面功能涂层的制备及锐钛矿与BMP-2结合能的模拟计算

摘要

钛及其合金因具有优异的生物相容性和机械性能，已在硬组织置换术中已经得到了广泛的应用，但是钛通常表现为生物惰性，难以与组织形成牢靠的骨性结合。材料的表面改性，可以有效的改变材料的性能。在钛表面涂覆羟基磷灰石(HA)可以显著提高钛的生物活性，实现钛植入体与骨组织的骨键合。在涂层中加入抗菌药物，可以使其同时具有抗菌消炎的功效。为了提高涂层与钛的结合强度，本课题的涂层是在纯钛经过酸腐蚀、阳极氧化和450℃热处理后的表面通过真空预矿化、模拟体液浸泡形成的；为了赋予涂层的抗菌性能，用共沉积的方法在TiO2纳米管表面沉积含有抗生素(硫酸庆大霉素)的HA涂层。
　　在研究HA涂层形成过程中，为考察钛表面上的不同尺寸的二氧化钛纳米管的微纳米结构对HA涂层形成的影响，制备了三种试样，分别是在数十微米孔结构表面又制做了管径约为50nm、100nm和170nm的二氧化钛纳米管的微纳米结构表面层。研究对比了这三种表面形成HA涂层的速度以及各涂层的厚度。结果表明，具有尺寸为100nm二氧化钛纳米管的微纳米多孔表面形成HA涂层的速度更快，而且形成的涂层更厚。
　　在载药涂层的研究中，主要考察钛表面上不同尺寸的二氧化钛纳米管的微纳米结构对硫酸庆大霉素(GM)的携载量以及释放时间的影响。通过细菌培养考察涂层的抗菌性能。研究发现，具有100nm的二氧化钛纳米管的微纳米结构表面吸附GM的量最大，为8.858mg。经过12天的体外药物释放实验表明：钛表面具有尺寸为50nm、100nm、170nm二氧化钛纳米管的微纳米结构的药物释放率分别为86.7％、84.4％、90.5％，三种样品前10天内每天释出的药物浓度值均超过最低抑菌浓度(MIC)值。细菌试验表明载有硫酸庆大霉素的HA涂层能显著抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的繁殖。
　　因此，用真空预矿化和仿生共沉积的方法可在钛基微纳米多孔结构表面制作即具有生物活性，同时有抗菌性能的功能性涂层，可以作为硬组织替换材料或者局部给药的载体材料，能作为很好的生物医用材料。
　　计算机模拟计算已经成为材料研究的一个重要手段，通过计算机模拟计算可以从分子的水平上研究材料的性能。使用用于计算生物大分子的模拟计算软件NAMD，对锐钛矿的4个晶面与骨形态发生蛋白2(BMP-2)之间的结合能量的模拟计算，以确定BMP-2和各个晶面的结合能力。通过计算机模拟计算得：BMP-2与锐钛矿的(001)面结合最为强烈，与(100)面结合最弱。