NiTi合金表面仿生生长磷灰石及其生物相容性研究

摘要

在NiTi合金表面制备磷灰石层,使合金既能保持原有的形状记忆效应、超弹性和低弹性模量,又减少有害镍离子的溶出,从而改善生物相容性.在常见的磷灰石层制备工艺中,化学法以其成本低、操作简便、结合强度高等优点,弥补了等离子喷涂和激光熔敷工艺的缺陷.其中的仿生溶液生长法更是模拟了宿主骨中无机质的形成过程,具有广阔的临床应用前景.该研究采用HNO<,3>和NaOH水溶液处理,活化NiTi合金表面,使之在模拟体液(SBF)中仿生生长类骨磷灰石层.借助SEM、EDS、XRD、XPS及FTIR等分析手段,探讨酸碱处理工艺对NiTi合金表面成分与结构的影响,研究其在SBF中诱导磷灰石仿生生长的机理.通过体外(in vitro)细胞培养和体内(invivo)植入,评价磷灰石涂层NiTi合金的生物相容性.结果表明:HNO<,3>处理增加NiTi合金表面积、形成致密TiO<,2>膜,其后的NaOH处理在合金表面形成以Na<,2>Ti<,3>O<,7>为主的纳米网状活性层,其结晶度和少量镍酸钠的存在对表面活性影响不大.酸碱处理后的合金经预钙化,可诱导钙磷颗粒在活性网格内快速沉积,并成为磷灰石非均匀形核的核心,进一步仿生生长含碳酸根的类骨磷灰石层.类骨磷灰石涂层试样(NiTi/HA)和未处理试样(NiTi)对3T3细胞均不显示细胞毒性,但NiTi/HA周围细胞形态、密度及贴壁伸展情况优于NiTi.6d后,细胞呈树枝状完全覆盖NiTi/HA试样表面.虽然,细胞生长曲线显示二者对3T3细胞增殖的影响无显著差异,但培养6d的NiTi试样表面细胞分布明显不均,有局部团聚现象.将NiTi/HA种植体植入白兔股骨,早期显示较强的骨引导作用,大量骨细胞直接附着在种植体表面,成骨转换异常活跃.15周后形成有效的骨性结合界面.而同期NiTi则为间接界面,种植体与骨组织间有纤维结缔组织介入,易于开裂,新骨生长速度明显滞后.26周后,两种种植体在皮质骨内形成几乎相同的骨接触界面.但髓腔内,NiTi/HA与骨结合紧密,NiTi界面新骨残破、脱落,仍然存在严重的界面开裂现象.植入53周后,NiTi种植体于皮质骨端因应力集中产生骨吸收.而NiTi/HA种植体与骨组织呈紧密结合,无裂隙和骨吸收,显示了良好的生物相容性.

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2.硬组织修复材料及其生物相容性

1.2.1硬组织修复材料及其力学性能

1.2.2.硬组织修复材料的生物相容性及评价方法

1.3 NiTi形状记忆合金及其生物相容性

1.3.1 NiTi形状记忆合金的特性

1.3.2 NiTi合金的临床应用及其生物相容性研究

1.3.3.改善NiTi合金生物相容性的研究

1.4磷灰石涂层及其生物相容性

1.4.1.羟基磷灰石的结构与表面特性

1.4.2磷灰石涂层的仿生生长

1.4.3HA涂层材料的生物相容性

1.5课题背景

第二章NiTi形状记忆合金表面活化处理工艺与机理

2.1引言

2.2实验材料及方法

2.2.1试样的化学处理

2.2.2模拟体液(SBF)浸泡

2.2.3试样的表面分析

2.2.4镍离子溶出实验

2.3实验结果与讨论

2.3.1酸处理对NiTi合金表面形貌及结构的影响

2.3.2 NaOH浓度对NiTi合金表面形貌及结构的影响

2.3.3不同浓度碱处理后NiTi合金的表面活性

2.3.4 NaOH溶液浓度对NiTi合金表面镍离子溶出的影响

2.3.5碱处理时间对NiTi合金表面形貌和结构的影响

2.3.6 NiTi合金表面活性层形成机理的探讨

2.4小结

第三章类骨磷灰石在活性NiTi合金表面的仿生生长

3.1引言

3.2实验材料及方法

3.2.1涂层试样的制备

3.2.2试样的表征与分析

3.3实验结果与分析

3.3.1涂层表面形貌及成分

3.3.2试样横截面形貌及成分分布

3.3.3钙磷层的分析与表征

3.4 HA在活性NiTi合金表面仿生生长机理的探讨

3.4.1 HA在SBF中的临界形核功及其影响因素

3.4.2HA在活性NiTi合金表面生长机理及模型

3.4小结

第四章类骨磷灰石涂层NiTi合金体外生物相容性评价

4.1引言

4.2实验材料与方法

4.2.1材料准备

4.2.2培养液的配制

4.2.3细胞悬液的配置

4.2.4细胞接种培养

4.2.5细胞形态观察

4.3实验结果与分析

4.3.1细胞毒性评价

4.3.2细胞增殖比较

4.3.3细胞形态的扫描电镜分析

4.3.4讨论

4.4小结

第五章仿生生长层对TiNi合金体内生物相容性的影响

5.1引言

5.2实验材料及方法

5.2.1种植体与HA涂层制备

5.2.2植入过程

5.2.3标本制备与观察

5.3.实验结果与分析

5.3.1组织学观察

5.3.2扫描电子显微镜分析

5.3.3透射电子显微镜观察

5.3.4讨论

5.4小结

全文结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢