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微弧氧化钛表面组织结构调控和细胞行为及骨诱导性能

作　者: 成夙
导　师: 周玉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 微弧氧化 钛 磷灰石 药物缓释 溶血性能 细胞学行为 种植体
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


本文采用微弧氧化的方法在实体钛及微珠烧结的多孔钛表面制备了TiO2基含硅钙元素的微弧氧化涂层。通过后续热处理和水热处理的方法对实体钛表面微弧氧化涂层进行表面改性。采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、X-射线光电子谱（XPS）、傅立叶变化红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）、力学万能实验机和纳米压痕仪等分析手段研究了实体钛表面微弧氧化涂层改性前后和多孔钛表面微弧氧化涂层的组织结构、力学性能、物化性能及涂层在模拟体液中诱导磷灰石的能力。采用酶标仪、激光共聚焦显微镜（CLMS）、紫外分光光度计等分析手段，研究了涂层表面细胞增殖、黏附、细胞骨架、细胞活性等细胞学行为和血液相容性。通过种植体兔胫骨体内植入的实验方法、采用X射线影像、Micro-CT、生物力学测试、组织学切片等分析手段研究了种植体与兔胫骨组织的结合能力和体内相容性。此外，为解决植入体导致的炎症问题，本文研究了在涂层表面上载抗生素药物及释放机制。本文采用了100、200、400、600μm直径的钛珠真空烧结制备了多孔钛。采用EDTA-2Na+Ca(（CH3COO）2.H2O+Na2SiO3.9H2O+NaOH的电解液，在实体钛和多孔钛表面制备了TiO2基含硅钙微弧氧化涂层（SC）。SC涂层中主要物相为锐钛矿，涂层和基体之间界面结合良好。SC涂层中主要含有Ca、Si、Na、Ti和O元素。随着微弧氧化电压升高，SC涂层表面Ca、Si和Na含量增加，Ti含量降低。各种元素在涂层内部存在梯度分布。SC涂层中Ti、O、Ca、Si分别对应Ti4+和Ti2+、O2-、Ca2+、Si4+化学态。电压对Ca和Si元素的化学态没有明显的影响。随着制备电压增高，SC涂层表面硬度、弹性模量、抗腐蚀性提高,润湿性和表面粗糙度增加。随着钛珠直径的增加，多孔钛孔隙率与力学性能逐渐降低。多孔钛SC涂层厚度随钛珠直径增加而升高。SC涂层经过700℃和800℃热处理后表面形成金红石和榍石，表面变得粗糙，涂层厚度增加，抗腐蚀性能和力学性能提高。SC涂层热处理后除了Ti2+转化为Ti4+以外，其它各个元素的化学态不变。水热处理SC涂层表面形成竹叶状、条状、线状TiO2。在水热反应过程中，Si、Ca离子发生溶解。此外，SC涂层水热处理过程中，涂层中的TiO2会受到OH-离子的攻击，形成HTiO3-离子，引起Ca2+和Na+离子在涂层表面沉积，从而形成钛酸钙和钛酸钠水合物。在SBF浸泡过程中，SC涂层中的Na+离子能够和SBF中的H3O+离子发生离子交换形成Si-OH，增强了磷灰石的形核。而且磷灰石能够生长嵌入SC涂层的微孔中。此外，电压增加使得SC涂层中Si、Ca含量增加，从而提高了磷灰石诱导能力。多孔钛SC涂层磷灰石诱导能力优于实体钛SC涂层，主要由于多孔结构和多孔钛SC涂层中引入的Si、Ca元素的含量高。由于榍石相的增多，热处理SC涂层随热处理温度升高诱导磷灰石能力增强。SC涂层经过水热处理以后形成HA和钛酸盐水合物，磷灰石诱导能力明显增强。在SBF浸泡过程中，钛酸盐水合物中的Ca2+和Na+离子与SBF中的H3O+离子发生交换形成Ti-OH，提高了磷灰石形成能力。各种诱导的磷灰石都含有HPO42-和CO32-等功能团。SC涂层及其改性涂层表面上载的头孢唑林钠/壳聚糖复合药物薄膜具有药物缓释性能。药物薄膜能够沉积到微弧氧化的微孔中，涂覆次数增加、壳聚糖的引入能增强头孢唑林钠的缓释能力。800oC热处理SC涂层表面药物缓释能力略好于其它涂层。多孔钛SC涂层表面药物缓释能力好于实体钛SC涂层，因为多孔钛具有更大的承载药物空间。壳聚糖和头孢唑林钠之间主要通过库伦作用、范德华力作用、氢键作用等形式进行结合。药物薄膜和SC及热处理SC涂层之间也会出现各种物理化学吸附反应，涉及到涂层的Si-OH、Ti-O结构和药物的-C=O、OH、-NH2基团发生作用。随着微弧氧化电压增高，SC涂层表面细胞增殖能力增强，涂层表面细胞活性与纯钛无差别，细胞骨架结构优于纯钛表面。多孔钛SC涂层表面细胞黏附能力早期弱于纯钛表面，但是后期黏附能力强于钛表面，且细胞黏附形态与钛珠直径有关。多孔钛SC涂层利于早期的细胞增殖，细胞培养7天后与未氧化多孔钛增殖能力无显著差别。不同直径钛珠烧结多孔钛SC涂层表面细胞活性差别不显著，多孔钛结构利于优化表面细胞肌动蛋白骨架。随着热处理温度提高，SC涂层表面的细胞黏附，增殖、细胞活性等均提高，细胞形态与骨架结构优良。水热处理SC涂层表面利于细胞黏附和增殖，细胞黏附形态完整。不同水热处理条件制备的SC涂层表面细胞黏附率、增殖率和细胞活性无显著差别。本实验各种涂层均无溶血能力，血液相容性良好。不同电压制备的SC涂层种植体、热处理SC涂层种植体植入兔胫骨内，体内相容性优良，在植入期间无排斥感染现象出现。种植体周围骨组织吸收良好，沿种植体有骨组织生长。自兔胫骨内取出的种植体可观察到沉积的骨组织和成骨细胞，骨组织与种植体的结合强度随微弧氧化电压和热处理温度增加而加强。多孔钛SC涂层种植体植入兔胫骨内，表现出的生物性能与实体钛SC种植体类似，但是与骨组织的结合强度高于实体钛SC涂层，因为多孔钛SC涂层的孔隙中有骨组织的长入。组织学观察植入兔体内三个月各种种植体均与骨组织良好结合。综上，本文中实体钛SC涂层、热处理和水热处理实体钛SC涂层及多孔钛SC涂层展现出了优良的磷灰石诱导能力、细胞相容性、血液相容性和体内生物活性，同时涂层表面涂覆头孢唑啉钠/壳聚糖药物膜具有明显的缓释作用。

全文目录


摘要  4-7
Abstract  7-25
第1章 绪论  25-44
  1.1 引言  25-26
  1.2 天然骨的组成和结构及性能  26-29
    1.2.1 骨组织的组成和结构  26-27
    1.2.2 长骨的结构  27-28
    1.2.3 骨的力学性能  28-29
  1.3 医用钛及其合金的研究进展  29-30
    1.3.1 钛及其合金的研究进展  29
    1.3.2 多孔钛的制备方法  29-30
  1.4 钛及其合金表面生物活性改性技术  30-32
    1.4.1 等离子喷涂  30-31
    1.4.2 溶胶-凝胶  31
    1.4.3 离子束辅助沉积  31
    1.4.4 电化学沉积  31-32
    1.4.5 化学法  32
    1.4.6 其他表面改性方法  32
  1.5 微弧氧化钛表面形成生物涂层的研究进展  32-35
    1.5.1 微弧氧化技术的研究进展  32-34
    1.5.2 钛表面微弧氧化技术研究进展  34
    1.5.3 钛表面微弧氧化形成生物涂层及后续改性方法  34-35
  1.6 药物涂层方法及壳聚糖药物缓释研究现状  35-38
    1.6.1 药物涂层的方法  35-37
    1.6.2 常见的抗生素涂覆药物  37
    1.6.3 壳聚糖药物控释载体及其应用  37-38
  1.7 种植体生物性能评价方法  38-42
    1.7.1 体外生物性能评价方法  38-40
    1.7.2 体内生物性能评价方法  40-42
  1.8 本文的研究目的、意义及研究内容  42-44
    1.8.1 研究目的和意义  42
    1.8.2 主要研究内容  42-44
第2章 试验材料与研究方法  44-59
  2.1 试验原材料  44
  2.2 微弧氧化涂层的制备及后续处理工艺  44-46
    2.2.1 实体钛表面微弧氧化工艺  44-45
    2.2.2 实体钛表面微弧氧化热处理工艺  45
    2.2.3 实体钛表面微弧氧化水热处理工艺  45-46
    2.2.4 微珠烧结多孔钛工艺参数  46
    2.2.5 多孔钛表面微弧氧化工艺  46
  2.3 组织结构和物化性能分析方法  46-50
    2.3.1 X射线衍射  46-47
    2.3.2 扫描电子显微镜  47
    2.3.3 透射电子显微镜  47
    2.3.4 X-射线能量分散分光计  47
    2.3.5 傅立叶变化红外吸收光谱  47
    2.3.6 拉曼光谱  47
    2.3.7 X-射线光电子谱  47
    2.3.8 接触角测试  47-48
    2.3.9 原子力显微镜  48
    2.3.10 纳米压痕及划痕测试  48
    2.3.11 划痕法测试涂层结合强度  48-49
    2.3.12 腐蚀性能测试  49
    2.3.13 多孔钛孔隙率测定  49
    2.3.14 多孔钛压缩强度测定  49
    2.3.15 多孔钛抗弯强度和弹性模量  49-50
  2.4 模拟体液中诱导磷灰石形成  50
  2.5 微弧氧化涂层表面药物上载及释放  50-51
    2.5.1 微弧氧化涂层表面上载头孢唑啉钠药物薄膜  50-51
    2.5.2 微弧氧化涂层表面上载头孢唑啉钠/壳聚糖复合药物薄膜  51
    2.5.3 药物释放  51
  2.6 溶血实验及方法  51-52
  2.7 微弧氧化涂层的细胞学行为分析  52-55
    2.7.1 原材料及试剂  52
    2.7.2 器械及检测设备  52
    2.7.3 细胞培养  52-53
    2.7.4 细胞冻存与复苏  53
    2.7.5 细胞黏附率测试  53
    2.7.6 细胞增殖测试  53-54
    2.7.7 细胞活性测试  54
    2.7.8 细胞固定形貌观察  54
    2.7.9 细胞骨架观察  54-55
  2.8 种植体微弧氧化后兔胫骨植入及骨诱导评价  55-59
    2.8.1 种植体植入  55-56
    2.8.2 种植体取材  56
    2.8.3 种植体X光影像学  56
    2.8.4 种植体剪切强度测试  56
    2.8.5 种植体取出后形貌观察  56-57
    2.8.6 种植体Micro-CT检测  57
    2.8.7 种植体包埋及组织切片观察  57-59
第3章 微弧氧化涂层的组织结构及物化性能  59-96
  3.1 实体钛表面微弧氧化涂层的组织结构  59-69
    3.1.1 涂层表面物相组成  59
    3.1.2 涂层表面拉曼光谱  59-60
    3.1.3 涂层表面形貌  60
    3.1.4 涂层表面成分  60-61
    3.1.5 涂层表面元素分布  61-62
    3.1.6 涂层截面特征  62-63
    3.1.7 涂层表面元素化学态  63-66
    3.1.8 透射电子显微结构  66-69
  3.2 实体钛微弧氧化涂层表面的物化及力学性能  69-73
    3.2.1 涂层表面抗腐蚀性能  69-70
    3.2.2 涂层表面载荷-位移曲线  70-71
    3.2.3 涂层表面弹性回复  71
    3.2.4 涂层表面硬度及弹性模量  71-72
    3.2.5 涂层表面纳米划痕  72-73
  3.3 多孔钛结构与力学性能  73-76
    3.3.1 表面形貌  73
    3.3.2 孔隙率与比表面积  73-74
    3.3.3 力学性能  74
    3.3.4 断口形貌  74-76
  3.4 多孔钛表面微弧氧化涂层的组织结构  76-94
    3.4.1 涂层表面物相组成  76-77
    3.4.2 涂层表面拉曼光谱  77
    3.4.3 涂层表面形貌  77-79
    3.4.4 涂层表面成分  79
    3.4.5 涂层截面特征  79-88
    3.4.6 涂层元素化学态  88-92
    3.4.7 钛珠直径对微弧氧化涂层的影响  92-94
  3.5 本章小结  94-96
第4章 微弧氧化涂层调控后的组织结构及物化性能  96-113
  4.1 热处理实体钛表面微弧氧化涂层的组织结构特征  96-104
    4.1.1 涂层表面物相组成  96-97
    4.1.2 涂层表面拉曼光谱  97-98
    4.1.3 涂层表面形貌  98-99
    4.1.4 涂层表面元素化学态  99-103
    4.1.5 涂层截面特征  103-104
  4.2 热处理实体钛表面微弧氧化涂层的物化及力学性能  104-107
    4.2.1 涂层表面耐腐蚀性能  104-105
    4.2.2 涂层表面载荷-位移曲线  105-106
    4.2.3 涂层表面弹性回复  106
    4.2.4 涂层表面硬度及模量  106-107
    4.2.5 涂层表面纳米划痕  107
  4.3 水热处理实体钛表面微弧氧化涂层的组织结构  107-110
    4.3.1 涂层表面物相组成  107-108
    4.3.2 涂层表面形貌  108
    4.3.3 涂层表面成分  108-110
  4.4 水热处理微弧氧化涂层表面结构变化过程  110-111
  4.5 本章小结  111-113
第5章 微弧氧化涂层表面结构调控前后诱导磷灰石特征  113-133
  5.1 实体钛表面微弧氧化涂层诱导磷灰石特征  113-117
    5.1.1 涂层表面物相组成  113
    5.1.2 涂层表面形貌  113-114
    5.1.3 磷灰石钙磷比  114-115
    5.1.4 涂层表面元素分布  115-117
    5.1.5 磷灰石涂层红外光谱  117
  5.2 热处理实体钛表面微弧氧化涂层诱导磷灰石特征  117-121
    5.2.1 涂层表面物相组成  117-118
    5.2.2 涂层表面形貌  118-119
    5.2.3 磷灰石钙磷比  119-120
    5.2.4 磷灰石涂层红外光谱特征  120-121
  5.3 水热处理实体钛表面微弧氧化涂层诱导磷灰石特征  121-125
    5.3.1 涂层表面物相组成  121
    5.3.2 涂层表面形貌及成分  121-122
    5.3.3 磷灰石涂层红外光谱特征  122-125
  5.4 多孔钛微弧氧化涂层诱导磷灰石特征  125-129
    5.4.1 涂层表面物相组成  125-126
    5.4.2 涂层表面形貌  126-127
    5.4.3 磷灰石钙磷比  127-128
    5.4.4 磷灰石涂层红外光谱  128-129
  5.5 微弧氧化涂层结构调控前后诱导磷灰石机制  129-131
    5.5.1 微弧氧化涂层诱导磷灰石机制  129-130
    5.5.2 水热处理微弧氧化涂层诱导磷灰石机制  130-131
  5.6 本章小结  131-133
第6章 微弧氧化涂层表面结构调控前后抗生素上载及释放  133-151
  6.1 傅里叶变化红外光谱  133-135
    6.1.1 头孢唑啉钠  133
    6.1.2 壳聚糖  133-134
    6.1.3 头孢唑啉钠/壳聚糖复合膜  134-135
  6.2 实体钛微弧氧化涂层表面药物上载及释放规律  135-141
    6.2.1 头孢唑啉钠药物膜的形貌与成分  135-136
    6.2.2 头孢唑啉钠/壳聚糖复合药物膜的形貌与成分  136
    6.2.3 溶液药物浓度对释放规律的影响  136-138
    6.2.4 壳聚糖对药物释放规律的影响  138
    6.2.5 涂覆次数对药物释放的影响  138-140
    6.2.6 药物释放后涂层形貌及成分  140-141
  6.3 热处理实体钛微弧氧化涂层表面药物上载及释放规律  141-145
    6.3.1 头孢唑啉钠药物膜的表面形貌  141-142
    6.3.2 溶液药物浓度对释放规律的影响  142-143
    6.3.3 壳聚糖对释放规律的影响  143-144
    6.3.4 热处理温度对释放规律的影响  144-145
  6.4 多孔钛微弧氧化涂层表面药物上载及释放规律  145-149
    6.4.1 头孢唑啉钠药物膜的形貌与成分  145-146
    6.4.2 头孢唑啉钠/壳聚糖复合药物膜的形貌与成分  146-147
    6.4.3 钛珠直径对药物释放规律的影响  147-148
    6.4.4 壳聚糖对药物释放规律的影响  148-149
  6.5 药物上载与释放机制  149-150
  6.6 本章小结  150-151
第7章 微弧氧化涂层表面结构调控前后细胞学行为及溶血性能  151-174
  7.1 实体钛表面微弧氧化涂层的细胞学行为  151-157
    7.1.1 涂层表面的润湿性  151
    7.1.2 涂层表面形态及粗糙度  151-153
    7.1.3 涂层表面细胞贴壁形态及黏附率  153-155
    7.1.4 涂层表面细胞增殖率  155-156
    7.1.5 涂层表面细胞活性  156
    7.1.6 涂层表面细胞骨架  156-157
  7.2 热处理实体钛表面微弧氧化涂层的细胞学行为  157-162
    7.2.1 涂层表面的润湿性  157-158
    7.2.2 涂层表面形态及粗糙度  158
    7.2.3 涂层表面细胞贴壁形态及黏附率  158-160
    7.2.4 涂层表面细胞增殖率  160-161
    7.2.5 涂层表面细胞活性  161-162
    7.2.6 涂层表面细胞骨架  162
  7.3 水热处理实体钛表面微弧氧化涂层的细胞学行为  162-167
    7.3.1 涂层表面的润湿性  162
    7.3.2 涂层表面细胞贴壁形态及黏附率  162-165
    7.3.3 涂层表面细胞增殖率  165-166
    7.3.4 涂层表面细胞活性  166-167
  7.4 多孔钛表面微弧氧化涂层的细胞学行为  167-171
    7.4.1 涂层表面细胞贴壁形态及黏附率  167-169
    7.4.2 涂层表面细胞增殖率  169-170
    7.4.3 涂层表面细胞活性  170
    7.4.4 涂层表面细胞骨架  170-171
  7.5 微弧氧化涂层结构调控前后的溶血性能  171-172
  7.6 本章小结  172-174
第8章 微弧氧化种植体表面结构调控前后兔胫骨植入性能  174-198
  8.1 微弧氧实体钛化种植体兔胫骨植入性能  174-182
    8.1.1 种植体植入前的表面形貌及成分  174-175
    8.1.2 种植体兔胫骨内X射线影像  175
    8.1.3 种植体兔胫骨内Micro-CT  175-178
    8.1.4 种植体取出后表面形貌  178-179
    8.1.5 组织学切片观察  179-180
    8.1.6 种植体与兔胫骨的结合强度  180-181
    8.1.7 微弧氧化种植体与骨组织的结合机理  181-182
  8.2 热处理实体钛微弧氧化种植体兔胫骨植入性能  182-189
    8.2.1 种植体X射线影像  182-183
    8.2.2 种植体兔胫骨内Micro-CT  183-185
    8.2.3 种植体取出后表面形貌  185
    8.2.4 组织学切片观察  185-186
    8.2.5 种植体与兔胫骨的结合强度  186-187
    8.2.6 热处理微弧氧化种植体与骨组织的结合机理  187-189
  8.3 多孔钛微弧氧化种植体兔胫骨植入性能  189-196
    8.3.1 种植体植入前的表面形貌及成分  189
    8.3.2 种植体X射线影像  189-190
    8.3.3 种植体兔胫骨内Micro-CT  190-191
    8.3.4 种植体取出后表面形貌  191-194
    8.3.5 组织学切片观察  194-195
    8.3.6 种植体与兔胫骨的结合强度  195-196
  8.4 本章小结  196-198
结论  198-200
参考文献  200-214
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  214-217
致谢  217-218
个人简历  218

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