典型模拟体液下镁和钛金属的环境行为研究

摘要

在研究生物材料的过程当中，对材料性能评价是十分重要的一个部分，这决定了材料能否应用于临床。然而随着材料的发展，在对生物可降解材料进行体外模拟测试时发现，往往得到的结果与其在体内真实服役的情况有较大的区别。因此，本文针对镁和钛两种常见生物材料，通过改变体外模拟环境因素以及材料本面表面状态考察了生物材料体外评价方法和生物相容性。 （1）以镁金属为研究对象，考察了体内外评价和典型模拟体液环境下评价的差异，分析了局部微环境的影响，探索了有机无机模拟体液的评价差异，以及通过表面激光改性实现对生物活性的改善。研究结果表明：镁金属植入物体外模拟腐蚀速率远高于动物试验结果。体外模拟中在PBS以及SBF两种介质下，在含氯离子的介质中，纯镁腐蚀速率极快，并且发生严重的点蚀现象。而在钙离子存在条件下，由于基底表面生成的腐蚀产物的致密度较差，腐蚀速率增加。在试样表面与溶液界面中的局部溶液接触不充分的情况下，离子在反应消耗后不能及时补充至界面中，试样的腐蚀速率会大大地降低。加入0.05g/L的牛血清白蛋白之后，蛋白质通过影响溶液中无机离子向表面的传质，从而进一步影响生成的腐蚀产物膜，使原本致密度较差的膜层转变为致密度较好的膜层，从而阻止进一步腐蚀。利用激光衍射和干涉结构制备了具有微米环形和菜花状簇，以及纳米级波纹的多层级结构, 为体内细胞生长试验中的细胞生长和蛋白质吸附提供了一个适宜的环境，有利于表面生物活性改善。 （2）以钛金属为研究对象，探索了典型模拟体液模拟中重力和动态流动对钛表面类骨磷灰石层形成的影响，以及通过表面喷砂粗糙化，促进类骨磷灰石的生长。研究结果表明：垂直有重力因素较水平无重力因素影响，钛表面类骨磷灰石加速沉积，所生长的类骨磷灰石分布不均匀。较静态环境下，动态环境下钛表面类骨磷灰石形成延迟。这归因于动态环境下，使Ca2+、HPO42-、PO43-离子在还未能形核的情况下就已经被带走，致使动态环境下磷灰石的形成较晚。360 rpm （即等效于生物体内大于正常生理流速时的动态情况）较120 rpm（即等效于生物体内正常生理流速时的动态情况），类骨磷灰石的形成速率增加，所生长的磷灰石要更清晰、密集。喷砂处理增加了钛表面粗糙度，降低其钙磷层生长开裂，有利于表面类骨磷灰石的生长，促进了类骨磷灰石的形成。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 生物医用材料多因素体外评价

1.2.1 非线性系统论的基本概念

1.2.2 多因素评价在生物材料研究中的作用

1.2.3 生物医用材料生物相容性

1.2.4 人体生理环境的特点

1.2.5 体外测试对人体生理环境的模拟

1.3生物医用材料

1.3.1 镁及其合金

1.3.2 钛及其合金

1.4 生物材料形态学方法与表面处理

1.5 本文主要研究内容

第2章 试验材料与方法

2.1 实验材料

2.1.1 金属钛和镁

2.1.2 化学试剂与典型模拟体液配制

2.2 实验设备

2.3 测试分析方法

2.3.1 材料表征方法

2.3.2 失重法

2.3.3 电化学测试

2.3.4 动物实验测试方法

2.3.5 激光表面改性方法

2.3.6 细胞实验方法

2.3.7 力学因素评价方法

第3章 镁金属体外环境多因素评价与表面改性研究

3.1 引言

3.2.1 宏观腐蚀观察及失重计算

3.2.2 表面形貌观察与成分分析

3.2.3 电化学测试分析

3.2.4 体内体外实验结果对比与分析

3.3.1 宏观腐蚀观察及失重计算

3.3.2 表面形貌观察与成分分析

3.3.3 电化学测试分析

3.3.4 血清蛋白质的影响分析

3.4 模拟体液局部微环境对镁行为的影响

3.5 脉冲激光修饰镁表面形貌对其生物活性的影响

3.6 本章小结

第4章 模拟体液下力学因素对钛表面生长类骨磷灰石的影响

4.2.1不同放置形式的钛表面涂层的形貌分析

4.2.2不同放置形式的钛表面涂层的物相分析

4.2.3 不同放置形式的钛表面涂层的红外光谱分析

第5章 全文总结与展望