复合工艺制备表面分级多孔的钛合金及生物相容性研究

在种植体表面引入微纳分级的多孔粗糙结构,将为种植体的表面带来更大的比表面积,同时增加种植体表面的粗糙层厚度并改善表面润湿性,进而实现稳定、快速的骨整合。为了提高钛合金种植体的生物相容性,提高临床植入手术的成功率,采用合金化的方式制备了4种弹性模量极低的β型钛合金,并通过喷丸、双酸酸蚀、碱热处理的复合工艺在钛合金材料表面制备出了超亲水的微纳分级多孔结构,这种结构表现出了超亲水性(接触角5°)。此外,SLA+AT Ti38Nb和SLA+AT Ti2448样品表面具有最厚的粗糙层(3.30μm),且对羟基磷灰石的沉积能力最强。证实了复合工艺能够在钛合金表面制备出稳定的微纳分级多孔结构,并且证实了这种结构是有益于提升钛合金种植体表面的生物相容性能的。     

高能喷丸预处理对钛表面组织及生物活性微弧氧化层的影响

为了提高钛表面的生物活性,利用微弧氧化工艺分别在普通粗晶钛和表面高能喷丸细晶钛上制备了多孔TiO2氧化层。经光镜和透射电镜观察,喷丸钛表面形成厚度40μm,直径100～200nm的等轴晶结构层。利用扫描电镜(带能谱分析)和X射线衍射仪对氧化层表面形貌、成分和相组成进行分析。结果表明,高能喷丸钛的表面生成的氧化层中含有α-Ca3(PO4)2相且钙磷百分含量提高。在粗糙的高能喷丸钛表面,微弧氧化速度在不同位置有所不同,氧化层与基体形成微机械咬合,基层结合力提高。     

钛表面等离子体氧化及其对细胞粘附增殖的影响

采用真空射频辉光放电技术对喷砂酸蚀工艺处理后的钛表面进行了等离子体氧化处理,利用扫描电子显微镜、接触角测量仪及X射线光电子能谱仪研究了氧化膜对钛表面形貌和亲水性的影响以及其化学组成和价键状态;同时通过体外细胞培养研究了钛表面等离子体氧化膜对细胞粘附增殖的影响。结果表明:等离子体氧化处理保留了钛表面喷砂酸蚀形成的微观孔洞结构,获得了平均接触角低于10°的超亲水性表面;钛表面出现Ti 4+、Ti 3+和Ti 2+离子,其中主要以Ti 4+存在;相比未氧化的钛表面,氧化后的钛表面对成骨细胞的粘附增殖有更显著的促进作用,这表明钛表面等离子体氧化膜具有很好的润湿性,利于细胞的粘附增殖。     

基于等离子体氧化技术的医用钛材料亲水性表面制备研究

采用真空射频辉光放电技术对喷砂酸蚀工艺处理后的钛表面进行等离子体氧化工艺的优化研究,以用于牙种植体表面改性。以钛表面的接触角作为正交试验的参考指标,对等离子体氧化工艺进行优化。在试验范围内,优化的参数为:工作压力为6.5 Pa,O2/Ar=1(Ar=5 sccm),基板直流偏压为400 V,射频功率为200 W,氧化时间60 min。利用扫描电子显微镜、接触角测量仪及X射线光电子能谱仪研究了优化后的氧化膜对钛表面形貌、亲水性的影响以及其化学组成和价键状态。结果表明:优化工艺处理后,钛片表面保留了原有的多孔形貌,并获得了平均接触角低于10°的超亲水性表面,但随着暴露空气时间的增加,其接触角会增大;钛表面出现Ti4+和Ti3+离子,其中二者的比例基本相同。     

阳极氧化铝的原子层淀积封孔研究

制备了多孔阳极氧化铝,利用原子层淀积技术对其封孔,借助场发射扫描电镜(SEM)分析了样品的表面及剖面形貌,对样品进行染色处理,利用酸性点滴试验测试样品抗腐蚀性能。结果表明:阳极氧化处理形成大孔径约为16 nm的多孔膜,多孔膜在循环50次的原子层淀积下能实现表面封孔而内部有空结构;经封孔后的样品抗染色及抗腐蚀能力增强。     

SLA表面PDA/CPP复合涂层的制备及其性能研究

在大颗粒喷砂酸蚀(SLA)工艺形成的三维多级嵌套孔洞结构纯钛表面, 利用聚多巴胺(PDA)的超强粘附性和二次修饰功能, 接枝生物大分子酪蛋白磷酸肽(CPP), 制备PDA/CPP复合涂层。采用FESEM、EDS、XPS、水接触角分析仪、体外仿生矿化测试以及人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)实验对样品表面进行表征分析和性能测试。结果表明, 两步浸泡法成功在SLA表面制得PDA/CPP复合涂层。该涂层在保留SLA多孔形貌的同时, 使水接触角从47.7°减小到25.5°, 明显提高了SLA表面亲水性; 在模拟体液浸泡1 d后的修饰表面即沉积了致密羟基磷灰石(HA), 说明PDA/CPP显著加快了SLA表面生物矿化的速度。同时, SLA/PDA/CPP表面细胞粘附、增殖以及矿化活性都得到了明显改善。     

后处理工艺对阳极氧化钛生物活性的影响

钛及钛合金由于具有良好的力学、生物学性能,已成为良好的骨修复和替换材料。为了改善钛的生物活性,首先采用两步电化学阳极氧化法对金属纯钛进行表面改性,即使之表面形成多孔纳米结构,然后对样品进行不同的后处理,如450℃热处理,NaOH处理,NaOH-CaCl2处理,最后将后处理样品浸泡在人体模拟液(SBF)中,研究磷灰石在样品表面的生长情况。采用X射线衍射(XRD)、带能量散射谱(EDS)的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)等对生成的磷灰石的物相、形貌、元素组成等进行表征。结果表明,非晶TiO2纳米管阵列不能诱导磷灰石在其表面生成,而经450℃退火处理后形成的结晶良好的锐钛矿相TiO2纳米管阵列具有一定生物活性,即可诱导部分磷灰石颗粒在其表面生成。进一步经NaOH-CaCl2溶液后处理可加速羟基磷灰石在样品表面的形成速度,样品在模拟体液(SBF)中浸泡8d后,表面生成的磷灰石厚度约为5μm,磷灰石层是由大量球形颗粒堆积而成的,而球形颗粒是由无数纳米薄片组成的花状结构。     

铝合金表面阳极氧化膜的制备及其摩擦性能

为了提高铝合金表面耐磨性能并降低摩擦系数,对其进行自润滑表面处理.利用铝合金阳极氧化膜耐磨的特性及多孔的形貌,研究制备既具备高耐磨性又具有大孔径的阳极氧化膜工艺,并采用超声处理结合热浸渍的方法向纳米孔中填充聚四氟乙烯(PTFE)润滑颗粒.通过对草酸、磷酸+有机酸和草酸+磷酸+柠檬酸3种体系的氧化液制备出的氧化膜性能的比较,选用草酸、磷酸、柠檬酸的混合酸对铝合金进行阳极氧化,形成了厚为28.2um,维氏硬度为236.4的硬质氧化膜,其氧化膜孔径大小约为90 nm.经过润滑颗粒填充处理和热处理之后在铝合金表面制备出了结合良好的自润滑膜,其表面摩擦系数为0.135.该表面处理方法实现了铝合金表面的自润滑.     

阳极氧化对钛合金表面HA-TiO2复合涂层的影响

对钛合金表面进行阳极氧化预处理,然后用水热电化学方法在其上沉积羟基磷灰石-二氧化钛(HA-TiO2)复合涂层,研究了阳极电压对基体表面的物相、形貌、润湿性和粗糙度的影响,以及对HA的物相、形貌及生物活性的影响。结果表明:阳极氧化电压高于110 V时在钛基体表面出现金红石型和锐钛矿型TiO2,孔径尺寸随阳极电压的增加而增大。在120 V预处理的钛合金试样表面具有好的润湿性,粗糙度Ra达到0.56μm。HA涂层沿c轴方向择优生长,并呈现分层生长,HA的结晶度随着阳极氧化电压的提高先增大后减小,在120 V取得最大值。在120 V氧化处理的试样具有较好的生物活性。     

不同浓度硝酸处理的多孔钛及其体外生物活性

多种表面活化改性方法已用于致密钛表面活化改性, 本研究尝试用不同浓度的硝酸溶液处理浆料发泡法制备的多孔钛. 酸处理多孔钛内孔壁上出现了微小尺寸的酸蚀坑, 其微结构随酸浓度的变化而略有不同, 处理后表面磷灰石沉积能力随酸浓度变化差异显著, 其中以1:1和1:5两种浓度(体积比)的硝酸处理组最强, 并显著促进MG63细胞增殖, 细胞在样品表面和孔内得到良好粘附和铺展. 本研究结果表明硝酸处理活化多孔钛, 方法简单, 不引入杂质, 渗透性好, 可有效活化多孔钛内外表面, 是一种有效的制备生物活性多孔钛的方法.