载钇二氧化钛涂层的生物活性及其抗菌性能的研究

摘要

背景：生物医用材料的开发和研究在器官组织工程修复领域中变得越发重要。作为生物医疗材料中的一种，植入材料主要用于替代人体硬组织的缺损和缺失，并恢复其运作功能。钛和钛合金因其良好的机械性能以及生物相容性而广泛应用于植入物材料，但由于其自身无诱导新骨形成的能力，即无生物活性，也没有抗菌性能，所以临床上往往需要将钛材料表面改性，让其具有一定的性能，从而达到治疗目的。细菌感染所致的植入部位的炎性反应是临床上极为常见的植入术后并发症之一。制备具有抗菌性能的涂层是防止细菌感染的有效方法，且涂层还需要有良好的生物相容性，从而确保植入物材料与骨良好的结合。　　目的：1. 探明掺入不同浓度的钇元素在微弧氧化过程中对于TiO2涂层性能的影响，为进一步指导种植体表面形貌设计提供理论基础。2.摸索合适的载钇浓度，使涂层在具有良好的生物活性的基础上，具有一定的长效抗菌能力。3.鉴于成骨细胞在骨结合过程中扮演着至关重要的角色，所以本实验主要研究成骨前体细胞与材料表面的相互作用，为更合理的植入物设计提供依据。　　方法：通过在微弧氧化过程中，改变电解液的组分来制备含不同浓度钇的TiO2涂层，使用扫描电子显微镜（SEM），原子力显微镜（AFM），X射线衍射（XRD）以及X射线光电子能谱仪（XPS）等对改性涂层的表面形态及其结构进行了相关表征；通过在材料表面培养MC3T3-E1细胞和HGF细胞来评价材料的生物活性；通过材料表面培养大肠杆菌及金黄色葡萄球菌，测试材料的抗菌性能。　　结果：在Ti-6Al-4V表面成功制备了含钇的二氧化钛涂层，钇的掺入，并未改变涂层的表面形貌及物相组成，接触角检测也发现涂层的亲水性也没有因为涂层含钇浓度的改变而改变。截面EDS结果发现，钇元素均匀地分布在涂层之中。细胞实验结果发现：成骨前体细胞及成纤维细胞在含钇的微弧氧化涂层上培养表现出更好的细胞增殖能力。成骨前体细胞在材料表面从培养第1、3、到7天，ALP, TGF-β以及BMP-2的表达量均增加，茜素红染色钙结节的量也随着钇浓度掺入量的增加而增加。细菌实验发现低浓度含钇涂层对细菌没有明显的抗菌性能，但高浓度的含钇涂层具有一定的抗菌性能。　　结论：这项研究首次揭示了载钇二氧化钛涂层的生物相容性及抗菌能力，从而研发了一种理想的新型骨科及牙科植入体修复材料，为骨组织修复与重建中材料的选取提供一种优选策略。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 钛及钛合金植入材料的特点

1.3 钛及钛合金基材表面改性的研究与进展

1.3.1 物理方法

1.3.2 化学方法

1.4 抗菌材料的应用

1.5 微弧氧化技术的特点及应用

1.6 研究目的，意义以及其重要内容

1.6.1 研究目的和意义

1.6.2 研究内容

第二章 载钇二氧化钛涂层的制备

2.1背景介绍

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 实验设计

2.2.3 实验工艺

2.2.4 样品表征方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 样品的SEM与EDS结果分析

2.3.2 样品的XRD与XPS结果分析

2.3.3 样品的AFM结果分析

2.3.4 样品的水接触角结果分析

2.3.5 样品的ICP-OES结果分析

2.4 结论

第三章 载钇二氧化钛涂层体外生物活性测试

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 材料与仪器

3.2.2 方法

3.3 结果

3.3.1 CCK-8细胞增殖-毒性

3.3.2 MC3T3-E1吖啶橙染色结果

3.3.3 使用共聚焦观测涂层表面Y0与Y9涂层上HGF的细胞骨架

3.3.4 SEM观测MC3T3-E1在Y0与Y9涂层表面的形貌

3.3.5 AFM观测MC3T3-E1在Y0与Y9涂层表面的形貌及刚度结果

3.3.6 ELISA检测MC3T3-E1细胞上清液中ALP与TGF-β的表达量

3.3.7 免疫印迹法检测MC3T3-E1细胞中BMP-2蛋白表达量

3.3.8 茜素红染色定性观察MC3T3-E1矿化结果

3.4 讨论

3.5 结论

第四章 载钇二氧化钛涂层抗菌性能测试

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 材料与仪器

4.2.2 方法

4.3 结果

4.3.1 CCK-8测量细菌增殖结果

4.3.2 AO/EB荧光染色观察材料表面细菌分布情况

4.3.3扫描电镜观察细菌在涂层表面的生长形态

4.4讨论

4.5结论

第五章 结论与展望

主要结论

总结

展望

参考文献

在学期间主要研究成果

致谢

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