医用钛表面的微纳结构制备及性能表征

来源 :河北工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong574
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钛具有良好的生物相容性与力学性能,是目前应用最广泛的植入体材料,作为人工髋关节、膝关节等已收到了良好的临床使用效果。但钛不具备生物活性,植入人体后与骨组织仅是机械锁合,不能起到良好的骨键合作用;生理环境下,植入体表面受腐蚀后释放的金属离子和磨粒还会引发炎症,严重时造成植入体失效;此外,钛的力学性能与天然骨组织也有差异,钛的弹性模量比较高,不能将所承载的作用力完全传递给骨组织,因而会造成应力屏蔽,引起骨功能退化。基于上述问题,本论文结合酸蚀与阳极氧化法在钛表面构建微/纳米复合结构,提高表面生物学性能的同时,改善其抗腐蚀性和力学性能与骨组织不匹配的问题。通过摩擦磨损、纳米压痕、极化曲线、细胞培养等实验对钛表面处理前后的力学性能、耐腐蚀性及生物学性能进行系统评价。主要研究结果如下所述:(1)采用酸蚀法,通过控制酸蚀时间、温度、浓度等工艺参数在钛表面制得尺寸均匀、排列有序的微米结构;采用阳极氧化法,分别在NaF/水、NH4F/乙二醇电解液中进行电化学反应,通过控制氧化电压、时间在钛表面制得不同尺寸级别的纳米结构;结合酸蚀与阳极氧化法在钛表面制得微/纳米复合结构。(2)摩擦磨损实验表明,具有微纳米复合结构的钛表面其耐摩擦性能较好,其次是纳米结构和微米结构,光滑表面的钛最不耐磨损;纳米压痕实验表明,微纳米复合结构与纳米结构的钛表面其弹性模量都与骨组织接近,而微米结构和光滑钛表面的强度和弹性模量都远远大于骨组织;极化曲线的实验数据也表明,微/纳米复合结构的耐腐蚀性能优于纳米结构、微米结构和光滑钛表面。钛表面力学性能和耐腐蚀性能的提高与其表面结构和氧化层的增厚有关。(3)模拟体液浸泡实验表明,具有微/纳米复合结构的钛表面以及具有纳米结构的钛表面均可诱导羟基磷灰石在其表面生成,而光滑表面和具有微米结构的钛表面不能,说明微纳米复合结构和纳米结构均可显著提高钛表面的生物活性;体外细胞培养实验表明,具有微/纳米复合结构的钛表面较其它结构(光滑表面、微米结构、纳米结构)更加有利于细胞的铺展、增殖和成骨基因的表达,说明微纳米复合结构使得钛表面的生物相容性也得到了明显改善。生物学性能的改善与其表面亲水性的提高有关,也与其具有更加符合天然骨组织结构和力学性能的表面微纳结构有关。
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