医用钛表面的等离子体改性研究

论文摘要

金属钛具有质轻、强度高、抗疲劳和较好的生物相容性等优点,因而在口腔医学和骨外科手术中应用很广泛。但是,医用钛仍有自身难以克服的缺点。例如,遇生理环境会发生腐蚀,造成金属离子向周围组织扩散及自身性质的蜕变,产生生物体致敏、致突变、致癌等现象。对材料进行表面改性,可以简便地解决上述问题。表面化学改性方法虽应用广泛,但由于大量应用有毒化学试剂,容易对环境造成污染,对人体也有极大危害。与化学改性方法相比,等离子体由于具有较高的温度和能量密度,在等离子体气氛中易于产生活性成分,从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理作用和化学反应,既节省能源,又减少了污染。为了改善医用钛耐腐蚀性和细胞相容性等,本文将等离子体技术与化学方法有机结合,制备了具有良好生物活性的医用钛新材料。本文主要开展了以下几方面的工作:（1）以纯钛为基体,结合分子自组装思想,首先利用等离子体技术在纯钛表面结合一层巯丙基三甲氧基硅烷（MPS）偶联剂,然后在该偶联剂官能团巯基上原位接枝具有生物活性的聚丙烯酰胺（PAAm）。考察了等离子体放电功率、处理时间和氧气压强对预处理效果的影响。电子天平（EB）、接触角测定仪（CA）、能谱仪（EDS）分析结果表明,氧等离子体处理也可以使钛金属硬质表面发生显著变化,质量、O元素含量增加,水接触角降低;衰减全反射红外光谱（ATR-FITR）分析表明,偶联剂的使用增强了无机界面与有机界面的结合;原子力显微镜（AFM）分析表明,利用等离子体方法可以有效地在纯钛表面接枝聚合物;腐蚀性实验结果显示,接枝聚丙烯酰胺后钛的腐蚀性能较纯钛有所改善;细胞毒性实验结果显示,接枝聚丙烯酰胺后细胞毒性降低。（2）以纯钛为基体,首先利用氧气等离子体活化其表面,活化的基体与生物大分子壳聚糖接触,然后用Ar等离子体化学键合壳聚糖于钛表面。利用正交实验考察了Ar等离子体放电功率、处理时间和Ar压强对表面接枝壳聚糖的影响。通过X射线光电子能谱仪（XPS）、CA、ATR-FIIR、环境扫描电镜（SEM）研究了接枝壳聚糖膜前后的表面组成和表面形貌的变化。采用细胞毒性实验对材料细胞毒性进行评价,试验结果表明被修饰过的钛片其细胞相容性明显改善。（3）以纯钛为基体,利用射频等离子体化学气相沉积的方法在钛基底沉积氟化非晶碳薄膜。考察了放电功率对薄膜组成和形貌的影响,ATR-FIIR分析表明,放电功率130 W时氟化非晶碳薄膜中出现C=C基团。XPS结果表明,该薄膜中含CF、CF2、CF3三种成分。利用XPS测得各元素含量比和ATR-FIIR所推测出的特征基团,对薄膜建立了一个平面分子结构模型。环境扫描电镜图片显示,功率50 W时制备得到的薄膜具有三维“蜂窝”状孔隙结构,这种界面有利于细胞黏附和增殖。腐蚀性实验结果表明:钛表面沉积氟化非晶碳薄膜有助于提高材料的耐腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 医用金属材料的概述
• 1.1.1 医用金属材料简介
• 1.1.2 医用金属材料的分类及应用
• 1.1.3 医用金属材料在临床应用中的基本要求
• 1.2 医用钛金属的概述
• 1.2.1 医用钛金属的性能
• 1.2.2 医用钛金属的应用
• 1.2.3 医用钛金属在临床应用中存在的问题
• 1.3 医用钛金属及其合金的表面改性方法
• 1.3.1 形态学方法
• 1.3.2 物理化学方法
• 1.3.3 生物化学方法
• 1.4 本课题的研究背景及思路
• 第2章 钛表面自组装及等离子体引发接枝研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 测试仪器
• 2.2.3 样品制备
• 2.2.4 表征
• 2.2.5 材料细胞毒性实验
• 2.2.6 材料的腐蚀行为检测
• 2.3 结果讨论
• 2.3.1 实验条件的影响
• 2.3.2 结果表征分析
• 2.3.3 细胞毒性实验
• 2.3.4 腐蚀性实验
• 2.3.5 反应机理研究
• 2.4 小结
• 第3章 钛表面等离子体接枝壳聚糖改性研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 测试仪器
• 3.2.3 样品制备
• 3.2.4 表征
• 3.2.5 材料细胞毒性实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 钛表面接枝壳聚糖的条件选择
• 3.3.2 结果表征分析
• 3.3.3 细胞毒性实验
• 3.3.4 反应机理研究
• 3.4 小结
• 第4章 钛表面等离子体化学气相沉积氟化非晶碳薄膜的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 测试仪器
• 4.2.3 样品制备
• 4.2.4 表征
• 4.2.5 材料的腐蚀行为检测
• 4.3 结果讨论
• 4.3.1 红外光谱分析
• 4.3.2 X射线光电子能谱分析
• 4.3.3 扫描电镜分析
• 4.3.4 薄膜结构平面模型
• 4.3.5 腐蚀性实验
• 4.4 小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果