鈦合金表面圖案化處理及生物活性化機(jī)理.pdf

1、鈦及其合金因其優(yōu)異性能已越來越多的被應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。表面改性是目前解決合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的主要障礙的有效途徑，其原因主要有兩個方面，其一是將植入材料進(jìn)行表面圖案化，以改變材料表面形貌和提高表面粗糙度，從而提高骨組織與植入材料的機(jī)械鎖合力和結(jié)合強(qiáng)度；其二是在金屬表面制備生物強(qiáng)化層或活性層，來改善材料的生物活性，以提高骨組織與材料的結(jié)合力，同時減少基體材料中有害離子的溶出，降低材料的生物毒性。本文采用飛秒激光和噴砂后酸蝕工藝在Ti及其合金表

2、面加工不同顯微圖案結(jié)構(gòu)。比較分析了不同圖案化表面和生物活性層對生物相容性的影響，采用計算機(jī)技術(shù)模擬了HA在樣品表面的生長過程，制定合理的人工關(guān)節(jié)和骨修復(fù)器表面生物活化層制備工藝。研究結(jié)果表明： ⑴噴砂工藝能有效提高樣品的表面粗糙度。當(dāng)砂粒尺寸為150目時，得到了既滿足精度要求又具有較大生物活性的樣品表面。噴砂后的樣品先經(jīng)草酸處理再進(jìn)行硝酸氧化的方法能夠既有效去除表面污染，又能獲得良好的氧化層，從而提高基體的生物相容性。采用飛秒激

3、光在NiTi合金及純Ti為基的樣品上加工不同周期結(jié)構(gòu)圖案。仿生生長HA的實驗表明，在這種具有多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并具有Ti氧化層的表面，HA的生長速度要高于在噴砂酸蝕處理的表面。 ⑵通過體外實驗比較不同的圖案化表面和有無類骨磷灰石Ti合金表面對成骨細(xì)胞生長數(shù)量和形態(tài)的影響。MTT測試表明，經(jīng)飛秒激光及噴砂酸蝕表面圖案化處理的試樣上細(xì)胞增殖總數(shù)及增殖速率均大于未處理試樣，且樣品表面的圖案結(jié)構(gòu)有利于誘導(dǎo)細(xì)胞生長更多的偽足，使其按圖案化結(jié)構(gòu)定

4、向攀附，從而提高細(xì)胞的貼附生長能力。Ti合金表面生長類骨磷灰石層能有效屏蔽有害離子的溶出，從而顯著提高細(xì)胞增殖速率。與僅經(jīng)圖案化處理的樣品相比，仿生生長HA活性層的樣品誘導(dǎo)細(xì)胞分泌ALP的能力更強(qiáng)，有利于Ca2+的礦化沉積。 ⑶根據(jù)第一性原理對溶液中各種離子在羥基化的TiO2表面的沉積進(jìn)行了模擬，分析羥基磷灰石的動態(tài)生長過程。結(jié)果表明，在反應(yīng)的初始階段，溶液中的PO43-首先與水反應(yīng)生成H2PO4-，H2PO4-將誘導(dǎo)至羥基化的

5、TiO2表面，然后H2PO4-離出的H+與TiO2表面的OH-結(jié)合形成水分子進(jìn)入溶液，從而引起溶液中PO43-的沉積。為保持溶液的電中性，沉積PO43-后的表面將吸附Ca2+，并誘導(dǎo)了Ca2+的沉積，計算結(jié)果表明，Ca2+將優(yōu)先在PO43-與TiO2表面形成的八面體間隙位置沉積。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，最終在TiO2表面形成以化學(xué)方式結(jié)合的鈣磷層。 ⑷根據(jù)理論研究和前期試驗結(jié)果，提出最終的在骨修復(fù)器件表面制備生物活化層的方案，采用自