鈦材表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、改性及生物學(xué)評(píng)價(jià).pdf

1、生物材料的表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和化學(xué)成分在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)吸附、細(xì)胞粘附、遷移、鋪展、增殖和分化等生物學(xué)行為中起著至關(guān)重要的作用。隨著微/納米技術(shù)的快速發(fā)展，通過(guò)在材料表面構(gòu)建微/納米結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控相關(guān)生物學(xué)行為被廣泛研究。同時(shí)，從仿生學(xué)角度出發(fā)，在生物醫(yī)用材料表面構(gòu)建微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)可以達(dá)到與骨組織機(jī)械鎖合的目的。
　　由于其優(yōu)越的理化性能，鈦及鈦合金已被廣泛應(yīng)用為骨科、牙科及心血管支架等植入體。然而，鈦材表面生物惰性，無(wú)法與周邊骨組織形成有效的骨

2、整合。因此，改善鈦植入體表面性能具有重大臨床應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)意義。適宜的表面改性不但可以保留鈦材優(yōu)良的力學(xué)性能，而且可以根據(jù)特定臨床應(yīng)用需求而改善相關(guān)性質(zhì)，如生物相容性、骨整合能力、抗細(xì)菌感染和抗癌等性質(zhì)。本論文主要研究鈦材表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建、改性及其生物學(xué)評(píng)價(jià)，為鈦材在臨床骨科應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括：
　　1.陽(yáng)極氧化法制備二氧化鈦納米管及機(jī)理研究
　　本文利用陽(yáng)極氧化法在鈦材表面原位構(gòu)建了不同管徑的

3、二氧化鈦納米管，并對(duì)二氧化鈦納米管的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。首先，我們研究了不同氟電解液對(duì)二氧化鈦納米管形成的影響，結(jié)果表明0.27摩爾/升氟化銨丙三醇水溶液（丙三醇/水=1:1，體積比）作為電解液可以制備尺度可控且高度有序的二氧化鈦納米管；其次，我們研究了0.27摩爾/升氟化銨丙三醇/水電解液中水含量對(duì)二氧化鈦納米管形成的影響，結(jié)果表明該電解液體系中水的含量對(duì)二氧化鈦納米管的形成有重大影響；最后，本文以0.27摩爾/升氟化銨丙三醇水溶液（

4、丙三醇/水=1:1，體積比）作為電解液研究了不同陽(yáng)極氧化電壓（10-35伏）對(duì)二氧化鈦納米管管徑的影響，結(jié)果表明納米管的管徑隨著陽(yáng)極氧化電壓的增加而增大，制備了不同管徑的系列二氧化鈦納米管（27-110納米）。當(dāng)電壓增加到35伏時(shí)，在該電解液條件下無(wú)法形成高度有序的二氧化鈦納米管。
　　2.鈦材表面微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的影響
　　為了研究鈦材表面微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化的影響，本文通過(guò)雙酸腐蝕和陽(yáng)

5、極氧化法在鈦材表面構(gòu)建了三種不同結(jié)構(gòu)：微米結(jié)構(gòu)、二氧化鈦納米管結(jié)構(gòu)和微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)。分別以場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)材料進(jìn)行了表征。在體外研究了不同結(jié)構(gòu)對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和分化的影響。結(jié)果表明：與未處理的鈦材相比，具有微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)的鈦材提高了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的礦化和堿性磷酸酶的分泌。更為重要的是，骨鈣素和骨橋素的表達(dá)證明了微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)的鈦材在誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞分化方面具有較大的潛力。本研究為提高鈦植入體的骨整合性提供

6、了一種的潛在選擇。
　　3.具有長(zhǎng)效抗菌性能和良好生物相容性的鈦材納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
　　為研發(fā)具有長(zhǎng)效抗菌性能的納米結(jié)構(gòu)化鈦植入體，本文將3-（三甲氧基硅基）丙基-二甲基十八烷基氯化銨（季銨鹽）接枝到銀沉積的二氧化鈦納米管上。利用加載X射線能譜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、傅里葉變換紅外分光光度計(jì)、薄膜X射線衍射儀以及接觸角測(cè)量?jī)x分別對(duì)材料進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，我們成功地制備了季銨鹽修飾的銀納米顆粒加載的二氧化鈦納米管納米結(jié)構(gòu)化鈦材

7、。利用大腸桿菌抑菌圈和抗菌率實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了該材料的抗菌性能，并通過(guò)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了材料的細(xì)胞毒性。結(jié)果表明，季銨鹽修飾的銀納米顆粒加載的二氧化鈦納米管納米結(jié)構(gòu)化鈦材表現(xiàn)出了長(zhǎng)效抗菌性能及良好的生物相容性。本研究為我們提供了一種有發(fā)展前景的制備抗菌鈦基植入體的方法。
　　4.兼具抗癌和抗菌性能的鈦材納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建
　　為研發(fā)具有抗癌和抗菌性能的納米結(jié)構(gòu)化鈦植入體，本文首先通過(guò)陽(yáng)極氧化法在鈦材表面制備二氧化鈦納米管，然后將硒電沉積

8、到二氧化鈦納米管中，最后用旋轉(zhuǎn)涂布技術(shù)涂覆多層殼聚糖。利用配備有X射線能譜的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和接觸角測(cè)量?jī)x分別對(duì)材料進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，我們成功地制備了殼聚糖多層修飾的載硒二氧化鈦納米管納米結(jié)構(gòu)化鈦材。進(jìn)而，以該基材體外研究其對(duì)成骨細(xì)胞與骨癌細(xì)胞生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，該殼聚糖多層修飾的載硒二氧化鈦納米管納米結(jié)構(gòu)化鈦材有促進(jìn)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)同時(shí)抑制骨癌細(xì)胞生長(zhǎng)的巨大潛力。通過(guò)大腸桿菌的抗菌率實(shí)驗(yàn)檢測(cè)材料的抗菌性能。結(jié)果表明，殼聚糖多層修

9、飾的載硒二氧化鈦納米管納米結(jié)構(gòu)化鈦材具有良好的抗菌性能。本文提供了一種制備臨床醫(yī)用抗癌抗菌鈦植入體的新方法。
　　5.不同拋光鈦材表面類金剛石薄膜的制備及細(xì)胞/血液相容性評(píng)價(jià)
　　為提高鈦材植入體的細(xì)胞相容性和血液相容性，本文首先分別用機(jī)械拋光、化學(xué)拋光和電化學(xué)拋光法對(duì)鈦材表面進(jìn)行處理，然后以磁控濺射法在經(jīng)不同拋光處理的鈦材表面制備類金剛石薄膜。利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡分別對(duì)鈦材表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和表面粗糙度進(jìn)行了表

10、征，并通過(guò)拉曼光譜研究了類金剛石薄膜的結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，我們成功地構(gòu)建了系列類金剛石薄膜沉積的不同粗糙度的鈦材。利用體外成骨細(xì)胞活性和細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了材料的細(xì)胞相容性。同時(shí)，通過(guò)血小板粘附和血溶率實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了材料的血液相容性。體外成骨細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有相對(duì)粗糙表面的鈦材表面可促進(jìn)細(xì)胞功能，如細(xì)胞活性和細(xì)胞增殖。更為重要的是，濺射了類金剛石薄膜的鈦材相比未濺射類金剛石薄膜的鈦材顯示出了良好的血液相容性。結(jié)合細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和血液相容性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果