醫(yī)用NiTi合金表面TiO2膜層的制備及生物活性研究.pdf

1、本論文采用微弧氧化法對NiTi合金進(jìn)行表面改性,提高其耐腐蝕性,降低Ni離子的析出量,改善NiTi合金的生物活性。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜(EDS)和X射線光電子譜(XPS)研究膜層的相結(jié)構(gòu)、形貌和膜層組成成分。利用電化學(xué)方法和Hank’s溶液浸泡實(shí)驗(yàn)測試和評價(jià)了微弧氧化膜層的耐腐蝕性和對鎳離子析出的抑制作用。通過SBF浸泡和成骨細(xì)胞培養(yǎng)研究了微弧氧化膜層誘導(dǎo)磷灰石的能力和膜層表面的細(xì)胞生長行為,評價(jià)微

2、弧氧化膜層的生物活性。在SEM和熒光顯微鏡下觀察了細(xì)胞在膜層表面的生長狀態(tài)和繁殖行為,評價(jià)膜層的生物相容性。另外還通過對堿性磷酸的監(jiān)測,評價(jià)細(xì)胞在膜層表面的活性。
　　以濃硫酸為電解液對NiTi合金進(jìn)行微弧氧化處理,在NiTi合金表面制備了一層厚度大約在0.4-0.5μm之間、與基體結(jié)合良好、能有效抑制鎳離子析出的多孔TiO2膜層。以濃磷酸為電解液對NiTi合金進(jìn)行微弧氧化處理時(shí),在合金表面形成了含P元素的TiO2膜層。膜層內(nèi)的T

3、iO2成分主要是以非晶態(tài)形式存在,水熱處理之后,非晶態(tài)的TiO2可以晶化形成銳鈦礦型TiO2。膜層厚度隨著微弧氧化時(shí)間的增長先增大后減小,粗糙度隨著處理時(shí)間的增長而增大。電流密度的增大使膜層厚度增厚。在濃磷酸中形成的微弧氧化膜層其耐腐蝕性能和抑制鎳離子析出的能力都隨著微弧氧化時(shí)間的增長或電流密度的增大先增大后減小。
　　在含氧化鈦溶膠的乙二醇電解液(Ti-Sol)中對NiTi合金進(jìn)行微弧氧化,表面形成含有P元素的TiO2膜層,膜層

4、厚度相對于濃酸體系明顯增厚。膜層內(nèi)各物質(zhì)是以非晶態(tài)形式存在的,水熱處理之后,膜層內(nèi)部非晶態(tài)形式的TiO2結(jié)晶形成銳鈦礦型TiO2。隨著微弧氧化時(shí)間的增長或者電流密度的增大,膜層的厚度和粗糙度顯著增加。膜層的耐腐蝕性、抑制Ni離子析出能力以及膜層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度隨著微弧氧化時(shí)間的增長或電流密度的增大先提高后降低。在進(jìn)一步添加甘油磷酸鈣(Ca-Gp)的電解液(TiO2-Sol-Ca)中對NiTi合金進(jìn)行微弧氧化,制備的TiO2膜層中含有C

5、a、P元素。XRD結(jié)果顯示膜層中存在Ca2P4O12·4H2O。電解液中Ca元素的添加使制備的微弧氧化膜層厚度和粗糙度增大,耐腐蝕性和抑制Ni離子析出能力降低,膜層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度降低。
　　NiTi合金在不同電解液中制備的微弧氧化膜層均能在SBF溶液中誘導(dǎo)形成羥基磷灰石,說明微弧氧化處理能夠提高NiTi合金表面的生物活性。XRD、EDS、XPS和FT-IR結(jié)果表明誘導(dǎo)生成的磷灰石是一種含有碳酸根的類骨磷灰石。膜層中Ca、P元素

6、可以提高膜層的誘導(dǎo)磷灰石沉積的能力。不同電解液中制備的膜層誘導(dǎo)磷灰石沉積能力由高到低依次為:TiO2-Sol-Ca>TiO2-Sol>濃磷酸>濃硫酸。
　　NiTi合金表面生成的微弧氧化膜層有利于成骨細(xì)胞繁殖。成骨細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果表明,隨著培養(yǎng)時(shí)間增長,成骨細(xì)胞在微弧氧化膜層表面增殖良好,細(xì)胞數(shù)量增多。和未處理的NiTi合金基體相比,成骨細(xì)胞在微弧氧化膜層表面的增殖速度上升,細(xì)胞生長更為旺盛。SEM觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)胞很好地鋪展于涂層表面,緊

7、密貼壁,形態(tài)完整,呈現(xiàn)多邊形形態(tài)。細(xì)胞染色后的熒光顯微鏡圖片顯示成骨細(xì)胞在膜層表面存活完好且成長旺盛,說明微弧氧化層具有良好的細(xì)胞相容性。成骨細(xì)胞繁殖行為和堿性磷酸酶檢測結(jié)果顯示,在濃硫酸、濃磷酸和TiO2-Sol體系中制備的陶瓷膜表面成骨細(xì)胞活性較高,繁殖能力較強(qiáng),說明在這三種電解液體系中制備的膜層可以提高NiTi合金表面的細(xì)胞活性和生物相容性。但含鈣TiO2-Sol體系制備的微弧氧化膜層由于較高的Ni離子析出量抑制了成骨細(xì)胞在其表面