羥基磷灰石-膠原復(fù)合涂層的共沉積制備、表征及孔狀結(jié)構(gòu)的形成機理研究.pdf

1、羥基磷灰石(HA)化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2是人體硬組織的主要無機成分，具有良好的生物相容性和生物活性，臨床植入后能在短時間內(nèi)與人體組織形成骨性結(jié)合。膠原是結(jié)締組織的主要成份，存在于細(xì)胞外間質(zhì)內(nèi)，有良好的生物相容性和完全的生物降解性，且免疫抗原性很低，具有保護、支持人體組織及增強骨骼張力強度等特性，表現(xiàn)出特別的生物力學(xué)性質(zhì)。自然人骨是由納米HA和膠原蛋白有序組裝而成的一種無機/有機高分子復(fù)合物，骨中HA晶粒直徑約20nm，長

2、約60nm，HA的c軸是沿著膠原蛋白的三維螺旋軸方向生長，具有特定的納一微米二級結(jié)構(gòu)。目前，關(guān)于羥基磷灰石與膠原復(fù)合材料的制備已有不少研究，主要采用共沉積法、生物仿生法等，但尚不能滿足負(fù)重部位應(yīng)用的臨床要求。本論文從仿生學(xué)的角度出發(fā)，制備具有類似自然骨的成分和結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層，綜合利用HA涂層的生物性能和鈦的機械性能，以期獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能和生物性能的骨替代材料。 本論文在低濃度體系下采用電化學(xué)恒電流共沉積技術(shù)，在純鈦表面沉積制

3、備羥基磷灰石/膠原復(fù)合涂層和羥基磷灰石/殼聚糖復(fù)合涂層，通過改變影響形成多孔狀結(jié)構(gòu)的幾種因素，對多孔狀結(jié)構(gòu)的形成機理進行探討，并提出“氣泡模板”概念。主要研究結(jié)果如下： 1.控制電解液鈣磷物種濃度為10-4mol/L，Ca/P為1.67，并添加少量膠原蛋白(0.1～0.3mg/mL)，pH值主要范圍為6.0～6.3，在醫(yī)用純鈦表面電沉積制備HA/膠原復(fù)合涂層，運用SEM、AFM、XRD、FTIR及XPS等方法對涂層的表面形貌、晶

4、體結(jié)構(gòu)、組分構(gòu)成等理化性質(zhì)進行了一系列的表征并對涂層的力學(xué)性能和生物學(xué)性能進行表征。SEM和AFM結(jié)果表明：復(fù)合涂層呈特定的納-微米二級多孔結(jié)構(gòu)，從斷截面電鏡照片可看到孔狀結(jié)構(gòu)之間是完全貫通的；XRD圖譜顯示添加膠原可使HA在電極表面的擇優(yōu)生長受到抑制；FTIR譜圖研究表明，復(fù)合膜層中出現(xiàn)膠原蛋白特征峰酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶，酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅱ帶發(fā)生了一定程度的位移，表明涂層中HA與膠原蛋白在一定程度上發(fā)生化學(xué)鍵合；XPS譜圖顯示，涂層表面碳

5、元素和氮元素的原子含量明顯增大，涂層內(nèi)部也有這兩種元素的的存在。采用體外細(xì)胞的培養(yǎng)實驗和掃描電鏡觀察種植于不同材料表面的細(xì)胞貼壁及生長形態(tài)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞與電化學(xué)共沉積的HA/膠原復(fù)合涂層的表面接觸良好，細(xì)胞培養(yǎng)12h即有偽足長出，偽足有向材料內(nèi)部生長的趨勢，表明膠原蛋白的摻雜增加了涂層的生物相容性。MTT實驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞培養(yǎng)三天，摻雜有膠原的涂層的細(xì)胞增值情況最好，也進一步說明復(fù)合涂層具有良好的生物相容性。此外，HA/膠原蛋白的復(fù)合還有利于生

6、物材料膜層力學(xué)性能的改善，粘結(jié)拉伸實驗表明，膠原的摻雜使涂層與基地材料和涂層內(nèi)部的結(jié)合力增大了一倍，通過觀察拉伸過程力與時間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層具有一定的韌性。通過本實驗使涂層具有類似于自然骨的結(jié)構(gòu)和成分，獲得力學(xué)性能和生物性能得到一定改善的HA/膠原復(fù)合涂層。 2.從電沉積的基底材料、電沉積液的黏度和溫度及沉積時間等方面研究低濃度條件下影響形成多孔狀結(jié)構(gòu)的原因，提出了“氣泡模板”概念，合理的解釋了納微米二級結(jié)構(gòu)的形成機理。膠原蛋白、牛

7、血清白蛋白和殼聚糖的加入使電沉積液的黏度增大，黏度增大后，可以在電極表面獲得穩(wěn)定生成的氣泡，從而為孔狀結(jié)構(gòu)的形成提供了“模板”；同樣，電極表面的粗糙度也對氣泡的形成有較大的影響，表面非常平整的濺射有金膜的硅片很容易得到多孔狀的結(jié)構(gòu)，鍺晶表面也可得到典型的多孔結(jié)構(gòu)，而粗糙度最大的鈦板表面較難得到該結(jié)構(gòu)，說明電極表面的粗糙度對氣泡的穩(wěn)定形成也至關(guān)重要；低濃度體系下，溫度對這種結(jié)構(gòu)的形成亦非常關(guān)鍵。 3.初步探索了通過在電沉積液中添加