二氧化钛纳米管的制备和应用

二氧化钛纳米管属于一维纳米材料,既具有纳米材料普遍具有的量子尺寸效应,还具有独特的机械性、热稳定性和光学性质,因此其具有特殊的研究意义。采用简单易操作的阳极氧化法可在钛基底上制备出结构致密、形貌可控、与钛基底结合紧密的纳米管阵列。相比二氧化钛的纳米颗粒和纳米薄膜等材料,高度有序且表面积大的TiO₂纳米管可以为电子和离子提供更快速的运输通道。基于阳极氧化法和磁控溅射及电化学沉积法,探究了TiO₂纳米管在锂电池、电催化、光催化以及钛合金紧固件等领域的相关应用。     

多元异质结CdS/PbS/TiO2的制备及其对304不锈钢光生阴极保护性能研究

采用阳极氧化法制备TiO₂纳米管,通过超声辅助连续离子沉淀法对TiO₂纳米管进行CdS/PbS共复合修饰改性。应用X射线衍射 (XRD)、扫描电镜 (SEM) 及其配套的能谱分析 (EDS) 对CdS/PbS/TiO₂的晶型特征、表面形貌及元素分布进行表征;利用电化学分析方法研究了复合次序对CdS/PbS/TiO₂的光电性能影响,考察了CdS/PbS/TiO₂复合材料对304不锈钢的阴极保护性能。结果表明:成功制备了晶型特征和表面形貌良好的CdS/PbS/TiO₂多元异质结;先复合9次PbS、再复合15次CdS的TiO₂纳米管具有更加优良的光电性能;光照下CdS/PbS/TiO₂复合材料对304不锈钢光生阴极保护性能显著优于单一PbS复合的TiO₂和纯TiO₂;在暗态下CdS/PbS/TiO₂复合材料储能效果良好,可延长对304不锈钢的阴极保护作用。     

改性TiO2纳米管阵列电极的光电化学性能研究

近年来,掺杂改性的TiO₂纳米管作为光催化材料的研究受到广泛关注。本实验采用阳极氧化法在Ti板表面制备规则有序的TiO₂纳米管,通过在电解液中直接添加含Fe、N元素的化学试剂对其进行掺杂改性。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和X射线光电子能谱对TiO2纳米管进行表征,确定TiO₂纳米管的最佳制备条件。最后利用瞬态光电流曲线、开路电位曲线、线性伏安扫描曲线对其光电化学性能进行比较。研究发现,1%的Fe元素掺杂材料具有更好的光电响应,光照时开路电位可达0.345 V;9%的N元素掺杂材料具有最好的光电活性,光照时开路电位可达0.3 V。     

微弧氧化制备BaTiO3介电薄膜的电解液体系优化

用正交试验法对BaTiO₃薄膜微弧氧化电解液体系进行优化,并对最优电解液体系下所得薄膜的物相组成,元素分布情况、表面形貌及介电性能进行了表征。结果表明,最优电解液体系为0.5 mol/L Ba(OH)₂ +0.1 g纳米TiO₂+0.05 g乙二醇+0.2 g甘油;最优电解液体系下所得薄膜主要由四方相BaTiO₃和极少量BaCO₃组成,且薄膜表面平整、孔洞分布均匀、孔径细小,其在100 Hz下的介电常数为245.3。     

复合电解液中TiO2纳米管阵列的制备及光生阴极保护性能

采用二次阳极氧化法在3种不同的含氟电解质 (F^-、BF₄^-、F^--BF₄^-) 中制备了 TiO₂纳米管阵列。通过SEM、XRD、UV-vis DRS、PL 等手段对所制备的 TiO₂纳米管阵列形貌、结构、光响应能力以及光生载流子分离效率进行对比研究,同时在开闭可见光条件下进行光电化学性能测试。结果显示,用含NH₄F、NH₄BF₄和H₂O 的乙二醇复合电解液制备的TiO₂纳米管阵列相比于传统单种含氟电解液,具有更规整的结构,光吸收更强,光生载流子分离效率更高,对304不锈钢具有更好的光生阴极保护作用。     

电沉积制备氧化石墨烯-羟基磷灰石复合涂层

采用电沉积方法在钛表面制备氧化石墨烯-羟基磷灰石(Graphene oxide/Hydroxyapatite,GO/HA)复合涂层,通过调整GO的浓度,研究GO对所得涂层晶体结构及生物学性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)仪、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱分析所得涂层的表面形貌和物相构成,用SEM观察涂层表面MG63成骨样细胞生长情况。结果表明,电沉积法可在钛表面制备GO/HA复合涂层,且随GO浓度增加,HA结晶度增加。此外,复合涂层较单纯HA涂层更能促进成骨样细胞早期粘附。     

ZrSiN-HA涂层应用于纯钛种植体的实验研究

采用等离子喷涂技术在纯钛表面制备氮硅锆-羟基磷灰石(ZrSiN-HA)复合涂层并植入实验动物下颌骨.利用扫描电镜、电子万能材料试验机对比检测ZrSiN-HA、ZrSiN、HA与纯钛对照4组涂层的骨结合力,观测各组断裂区域的形貌,并分析复合涂层的表面形貌;用电化学腐蚀测试系统对比检测4组涂层的耐腐蚀性.试验结果表明,种植体表面喷涂ZrSiN-HA后较单纯喷涂HA的表面更加致密,结晶化明显;ZrSiN-HA涂层与其他涂层相比骨结合力最高,耐腐蚀性能最强.ZrSiN-HA涂层的应用有利于种植体的长期固位,可以应用于人体,对齿科修复体具有巨大的潜在应用价值.     

纯钽表面微弧氧化“类骨小梁”状多孔涂层的细胞相容性

目的 提高医用纯钽的生物活性，利用微弧氧化(MAO)技术在其表面制备出“类骨小梁”状分级多孔涂层，并对比该涂层与传统“火山坑”状MAO涂层以及机械抛光纯钽表面在表面粗糙度、亲水性以及细胞相容性方面的差异。方法 使用0.1 mol/L Na₂B₄O₇和0.05 mol/L Na₃PO₄电解液在纯钽表面分别制备出“类骨小梁”状及“火山坑”状多孔涂层(分别命名为B-MAO和P-MAO涂层)。采用扫描电镜、X射线衍射以及X射线光电子能谱对不同结构涂层进行形貌观察和相组成分析，使用十字划格法评价涂层结合强度，使用激光共聚焦显微镜测定涂层的表面粗糙度，使用接触角仪测量其亲水性，并将小鼠前成骨细胞(MC3T3-E1)接种于材料表面，对比不同形貌状态对细胞铺展、增殖以及成骨分化的影响。结果 MAO涂层物相主要为Ta₂O₅。B-MAO涂层由于内部孔隙度高，应力释放充分，涂层结合强度高，而P-MAO涂层则因具有分层现象和较大的残余应力，易从基体剥落。抛光...     

基于纳米羟基磷灰石、雷尼酸锶和聚己内酯的钛植入体成骨纳米复合涂层（英文）

钛及其合金常被用作牙科和骨植入材料。钛表面的仿生涂层可以改善其成骨性能。本文作者开发一种新型的、具有成骨作用的钛合金表面纳米复合涂层,为骨髓间充质干细胞(MSCs)的粘附、增殖和成骨分化提供自然环境。用静电纺丝法制备基于聚己内脂(PCL)、纳米羟基磷灰石(nH Ap)和雷尼酸锶(SrRan)的纳米复合涂层。因此,涂覆在钛合金表面的涂层有4种,分别为PCL、PCL/n HAp、PCL/SrRan和PCL/nHAp/SrRan。采用EDS、FTIR、XRD、XRF、SEM、AFM、体外细胞毒性和血液相容性测试等技术评估涂层的化学性能、形貌和生物学性能。结果表明,纳米复合涂层具有细胞相容性和血液相容性,PCL/HAp/SrRan纳米复合纤维涂层具有最高的细胞活性。MSCs在纳米涂层上的成骨培养显示干细胞向成骨分化,碱性磷酸酶活性和矿化测试结果证实了这一点。研究结果表明,所制备的复合纳米涂层具有促进新骨形成和增强骨-植入体整合的潜力。     

Ti对等离子喷涂Fe-Al2O3-FeAl2O4复合涂层组织与性能的影响

通过反应等离子喷涂技术制备含Ti含量不同的金属-陶瓷纳米复合涂层。并利用XRD和SEM对该涂层的物相组成、结构及形貌进行研究。结果显示,该涂层中形成了FeAl₂O₄、Fe_xAl_y、TiO₂、Fe相以及铁钛尖晶石相。对其力学性能的研究表明,随着Ti含量的增加显微硬度逐渐降低,磨损性能逐渐升高,当Ti含量为10%时,复合涂层的综合力学性能最优。     

生物医用钛植入体表面微纳结构与生物活性离子对生物相容性影响研究综述

生物医用钛植入体的表面微观形貌及化学组成作为影响植入体生物相容性的重要因素,决定了植入的稳定性和使用寿命,得到广泛研究,对钛植入体的表面改性研究现状进行系统梳理变得极为重要。针对钛植入体表面微纳米复合结构的构建及添加典型生物活性离子的研究现状进行综述,以及二者的结合对促进细胞黏附、增殖、分化和促进动物体内成骨的协同效应,简述微纳米复合结构对细胞行为的内在调控机制。结果表明,钛植入体表面的微纳米复合结构及生物活性离子对细胞的行为均表现出积极作用,兼具二者的植入体能够更好地促进细胞的黏附、增殖及分化,植入动物体内后更有利于植入体与周围组织的骨性整合。最后,根据当前生物医用钛植入体表面改性研究中存在的抗菌性能较差、对细胞的影响机制不明确等问题,提出植入体在表面改性领域的研究趋势。提出了钛植入体表面改性领域微纳结构构建和生物活性离子添加的研究现状和未来的发展方向,填补了钛植入体表面改性领域目前缺少综述文章来引领的空白,可为未来钛植入体的表面改性的发展提供借鉴。     

Staphylococcus aureus adhesion to different implant surface coatings: An in vitro study

It has previously been shown that implant surface structures have a significant influence on the susceptibility of implant to bacterial adherence. Due to the potential of the rapidly increasing osseointegration market, a great variety of novel surface coating techniques have been developed worldwide within the past twenty years. However, only a few focused on the effect of the interaction between the modified implant surface structure and its susceptibility to bacteria. To evaluate the susceptibility of implant surface to bacterial adhesion with Ti-based sandblasting (Ti_SB), Ti-based microarc oxidation (Ti_MAO) and Ti-based simulated body fluid (Ti_SBF) coatings, Staphylococcus aureus (S. aureus), a major pathogen often found in the percutaneous implant-associated infections, was chosen as the model for this in vitro study. The adherence of S. aureus to the implanted surfaces was visualized and quantified. Final results indicated that S. aureus adherence to all the three Ti-based coatings was significantly higher than that to the pure Ti surfaces. They suggested that the Ti_SB, Ti_MAO, and Ti_SBF surface coatings promoted S. aureus adhesion, and could lead to higher occurrence of infection in vivo, compared to the pure Ti surface. Considering the optimized implant coatings' well-documented osseointegration together with their increased susceptibilities to bacteria, it is essential to perform further research on the selection of proper parameters for the implant surface coating techniques.     

Bone integration properties of antibacterial biomimetic porous titanium implants

A novel antibacterial biomimetic porous titanium implant with good osseointegration was prepared by freeze-casting and thermal oxidation. Bone integration properties of the porous titanium implant were evaluated by cell proliferation assay, alkaline phosphatase activity assay, X-ray examination and hard bone tissue biopsy. The in vitro cell proliferation and the level of differentiation of the group with a modified nano-porous implant surface were significantly higher than those in the group without surface modification and the dense titanium control group (P<0.05). In vivo, bone growth and osteogenesis were found in the experimental groups with modified and unmodified porous titanium implants; osteoblasts in the modified group had more mature differentiation in the pores compared to the unmodified group. Such implants can form solid, biologically compatible bone grafts with bone tissues, exhibiting good osseointegration.     

Inducing Macrophages M2 Polarization by Dexamethasone Laden Mesoporous Silica Nanoparticles from Titanium Implant Surface for Enhanced Osteogenesis

The study conveys an idea to enhance the osseointegration of titanium implant(Ti) through modulating macrophages M2 polarization. The ～ 100 nm spherical mesoporous silica nanoparticles(MSN) that compromised of ～ 4-nm-diameter nanotunnels were synthesized by the conventional "sol–gel" method, into which the dexamethasone(DEX) was loaded(DEX@MSN). The DEX@MSN could consistently release DEX and showed favorable cytocompatibility in RAW264.7 cells. The arginase-1 expression, a specific marker for macrophages M2 polarization, was also enhanced by DEX@MSN treatment. Then, the Ti was pre-treated with anodization under 5 V to generate the titania nanotubes with ～ 30 nm diameter(NT-30) and the DEX@MSN was introduced onto NT-30 surface via electrophoretic deposition, with the aid of chitosan. After optimizing the deposition parameters, the supernatants of RAW264.7 from the decorated implant surface could significantly promote the osteogenic differentiation of murine primary bone marrow mesenchymal stem cells. These findings demonstrate that delivery of DEX from implant surface can modulate the macrophages M2 polarization and result in favorable osteogenesis.     

聚醚醚酮骨植入体生物改性研究进展

聚醚醚酮是一种热塑性材料,凭其良好的生物相容性和X射线可透射性,被广泛用于生物医学领域。而PEEK骨植入体与人体骨骼强度存在一定差距,与人体骨组织结合能力较差和抗菌性能等不足,使其在生物领域的应用受到了限制。为了使PEEK更好地应用于人体骨植入领域,获得优异生物性能的PEEK骨植入体已成为研究的重点。概述了PEEK的加工技术、力学性能、骨整合性能和抗菌性能的研究。在此基础上,重点综述了近年来提高PEEK骨植入体力学性能与生物性能的各种改性方法的研究进展。在力学性能方面,对PEEK常用的填充材料碳纤维进行了概述,由于PEEK与碳纤维界面结合强度影响其整体力学性能,重点介绍了提高其结合强度的改性方法。在骨整合性能方面,对钛、二氧化钛和羟基磷灰石涂层材料及喷涂方法进行了概述,以及对等离子喷涂、喷砂、激光蚀刻和浓硫酸刻蚀表面处理方法的优缺点进行了分析。在抗菌性能方面,银离子释放浓度过高时会导致细胞毒性,重点阐述了如何控制银离子释放速度的研究。最后展望了PEEK骨植入体加工和改性的未来发展方向。     

微弧氧化工艺参数对BaTiO3和SrTiO3薄膜生长的影响

将工业纯Ti板(99.5%)分别置于Ba(OH)2、Sr(OH)2+NaOH溶液中微弧氧化制备BaTiO3和SrTiO3陶瓷薄膜。XRD分析表明:所制备的薄膜分别主要由四方相BaTiO3和立方相SrTiO3组成。测得最优工艺条件下所得两种薄膜在100 Hz下的介电常数分别为152.3和419.1,介质损耗(tanδ)值分别为0.096和0.045。重点研究了微弧氧化工艺参数对薄膜生长的影响规律,结果表明:随着电解液溶度、电流密度的增加以及电流频率的降低,薄膜的生长速度加快;提出并验证了薄膜生长动力学的经验公式。     

钛酸铋钠基压电材料制备技术研究进展

钛酸铋钠(BNT)基压电材料因具有较好的电学性能以及高居里温度等优点,成为了压电材料领域的研究热点之一。如何制备出性能优异的钛酸铋钠基压电材料,是满足各个领域应用要求的重要环节。重点综述了近年来钛酸铋钠基压电材料制备技术的研究进展,从固相烧结、放电等离子烧结以及微波烧结等角度对其烧结技术进行论述;从溶胶-凝胶、脉冲激光沉积和射频磁控溅射等角度对其薄膜制备技术进行综述;对热喷涂制备压电涂层的机理和工艺进行总结。结果表明,烧结温度是影响块体材料结构和性能的关键因素,其中放电等离子烧结与微波烧结相较于传统的固相烧结能够有效控制材料的烧结温度;在钛酸铋钠薄膜的制备中对沉积温度、氧气压力以及退火温度的控制可以有效提高薄膜电学性能;热喷涂制备的钛酸铋钠涂层通过热处理工艺能够改善涂层的电学性能,并且热喷涂能够在复杂零件表面实现压电涂层的可控制备,其中钛酸铋钠压电陶瓷薄膜和涂层的制备扩展了其应用范围。最后,展望了压电陶瓷材料技术的未来发展趋势,为压电材料制备技术的研究提供了一定的参考。     

植入体微纳结构表面制备及生物相容性研究综述

生物医用钛合金植入体与骨细胞结合能力差一直是医学界面临的难题之一,表面形貌作为影响植入体生物相容性的重要因素,受到国内外学者的广泛研究。针对植入体表面微纳结构的国内外研究现状进行了叙述,重点介绍了植入体表面的微米结构、纳米结构、微纳米多级结构的制备及其对生物相容性的影响。综述表明：植入体表面合适的微米结构或纳米结构对细胞的行为表现出积极作用,能够增加植入体的生物活性和生物相容性;兼具微米与纳米多级结构表面的种植体表现出微米结构和纳米结构的协同效应,相对于单一的微米或纳米结构,能更好地促进骨整合。最后,针对医用钛合金植入体表面结构研究中存在的一些问题,指出了植入体表面结构的研究趋势。     

An experimental study of spherical indentation on piezoelectric materials

The response of lead zirconate titanate and barium titanate piezoelectric ceramics to spherical microindentation was investigated. Force vs penetration depth curves obtained from instrumented indentation reveal that the indentation stiffness depends on the material condition (i.e. poled vs unpoled) and the type of indentor (i.e. electrically conducting vs insulating). Good agreement was found between the experimental results and predictions of an analytical model of Giannakopoulos and Suresh (1999) for the spherical indentation of a transversely isotropic piezoelectric material. A parametric analysis was conducted to identify key material properties that influence the indentation response. An error analysis was performed so as to assess the influence of the variabilities in constituent properties on the scatter in the measured indentation stiffness. This indentation method has been shown to offer a new methodology for characterizing some properties of piezoelectric materials. Advantages and limitations of such a technique are discussed.     

等离子喷涂技术在骨植入体表面改性中的研究进展

金属植入体材料已广泛用于各种硬组织相关疾病的治疗,但金属植入体表面的骨整合和抗菌能力不足,往往导致临床植入手术失败。表面改性能够在保持金属材料优异力学性能的同时,针对性地改善其表面特性,目前广泛用于解决金属植入体存在的骨整合能力差和缺乏抗菌性能等问题。在众多表面改性技术中,等离子喷涂因性价比高、工艺成熟、原料可选择范围广及可大规模生产等优点,目前已在人工关节和牙种植体表面改性方面获得商业化应用。从提高植入体成骨活性、抗感染能力及骨免疫调节能力等方面介绍等离子喷涂技术的优势及其在金属植入体表面改性方面的研究进展,阐述等离子喷涂技术在优化骨科植入体表面化学性质方面的优势,并重点讨论等离子喷涂技术在制备和调控植入体表面纳米结构方面的潜在应用价值,为植入体表面设计提供借鉴。还结合课题组前期在等离子喷涂技术领域的相关工作,提出关于等离子喷涂技术在骨植入体表面改性方面的新思路。