一维TiO2纳米材料的制备及其生物性能的研究

论文摘要

本文采用电化学阳极氧化法,分别通过恒压模式和恒流模式,在纯钛表面原位构建了纳米管和纳米棒阵列。利用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、X-射线光电子能谱（XPS）等分析测试手段详细研究了工艺参数对纳米化结构膜层的表面形貌、元素组成和晶相组成的影响。结果表明:通过恒压阳极氧化,可在钛表面原位构建上端开口,下端封闭的均匀、有序的中空纳米管,热处理可使无定型的氧化钛纳米管结晶,且经550℃热处理可得到结晶度较优锐钛矿相。其中,管径随电压的增加而增加;在弱酸性体系中,管长随时间的延长而增加;壁厚随温度的增加而减小。通过恒流阳极氧化,可在钛表面原位构建具有择优取向的纳米棒阵列,该膜层主要由二氧化钛组成,可能以TiO2-x的形式存在。550℃热处理可以使无定型的纳米棒结构向金红石型转变。恒压模式和恒流模式下制备的膜层结构有一定的差异,综合分析,确定了最佳的阳极氧化工艺参数。表面粗糙度和表面负电荷是促进磷酸钙异相成核的重要条件。为进一步改善膜层结构性能,分别用双氧水溶液和紫外灯照射对纳米管阵列膜进行预处理,再通过仿生矿化法评价其生物活性。采用扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）、表面接触角分析仪和傅里叶转变红外（FT-IR）分析了膜层表面形貌、亲水性及成分,探讨了H2O2处理与UV照射对磷灰石沉积的影响。结果表明:H2O2处理与UV照射均可以提高纳米管诱导磷灰石沉积的能力,其中H2O2处理影响的主要是表面结构,而UV照射影响的主要是表面Ti-OH,并且水有助于表面Ti-OH的形成。通过在各组试样表面培养人的骨髓间充质干细胞（hSCMs）,初步考察了试样表面纳米化前后的细胞相容性,并深入地考察了纳米化结构对细胞分化和细胞基质钙盐沉积的影响。结果表明:表面纳米化结构使表面粗糙度呈增加趋势,利于细胞的粘附与增殖。但粗糙度相对较大的纳米管具有最优的成骨诱导性,纳米棒的成骨诱导性与纯钛相差不大。可能是因为恒压阳极氧化使材料表面建立了最利于细胞增殖与诱导其向成骨分化的表面纳米结构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物医用材料
• 1.1.1 生物医用材料的发展概况
• 1.1.2 生物医用材料的评价
• 1.1.3 生物医用材料的分类
• 1.2 医用钛及钛合金
• 1.2.1 医用钛及钛合金的性能和应用
• 1.2.2 新型医用钛合金的发展趋势
• 1.3 钛表面活化依据
• 1.3.1 表面纳米拓扑结构对材料生物性能的影响
• 1.3.2 无机材料的表面活化
• 1.4 医用钛金属表面改性
• 1.4.1 钛表面形貌和粗糙度的修饰
• 1.4.2 钛表面耐磨性、耐蚀性的提高
• 1.4.3 钛表面生物活性改性
• 1.5 阳极氧化技术
• 1.5.1 阳极氧化技术的简介
• 1.5.2 氧化膜厚度的计算
• 1.6 本文的研究目的、意义及研究内容
• 1.6.1 本文的研究必要性
• 1.6.2 本文的研究目的
• 1.6.3 本文的研究内容
• 2纳米管的制备及研究'>第二章 一维TiO₂纳米管的制备及研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验原料及主要仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 基片预处理
• 2.3.2 阳极氧化装置
• 2.3.3 实验过程
• 2.4 样品的表征
• 2.5 结果与讨论
• 2 纳米管形成的影响'>2.5.1 电解液体系对TiO₂纳米管形成的影响
• 2 纳米管阵列的影响'>2.5.2 电压对TiO₂纳米管阵列的影响
• 2 纳米管阵列的影响'>2.5.3 时间对TiO₂纳米管阵列的影响
• 2 纳米管阵列的影响'>2.5.4 电解液温度对TiO₂纳米管阵列的影响
• 2.5.5 表面纳米管结构的化学组成
• 2 纳米管阵列的影响'>2.5.6 热处理对TiO₂纳米管阵列的影响
• 2 纳米管阵列的形成机理'>2.6 TiO₂纳米管阵列的形成机理
• 2.7 本章小结
• 2纳米棒阵列的制备及其性能研究'>第三章 TiO₂纳米棒阵列的制备及其性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 实验过程
• 3.3 结果与讨论
• 2 纳米棒形成的影响'>3.3.1 电流对TiO₂纳米棒形成的影响
• 3.3.2 表面纳米棒结构的化学组成
• 2 纳米棒阵列的影响'>3.3.3 热处理对TiO₂纳米棒阵列的影响
• 2 纳米棒阵列的形成机理'>3.4 TiO₂纳米棒阵列的形成机理
• 3.5 本章小结
• 2纳米管仿生矿化性能研究'>第四章 一维TiO₂纳米管仿生矿化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验原料及主要仪器
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 样品预处理
• 4.3.2 仿生矿化
• 4.4 样品的表征
• 4.5 结果与讨论
• 2O₂ 处理后的矿化层分析'>4.5.1 经H₂O₂处理后的矿化层分析
• 4.5.2 经紫外照射后的矿化层分析
• 4.5.3 仿生矿化层表面成分分析
• 4.6 仿生矿化层形成机理探讨
• 4.7 本章小结
• 2纳米材料细胞相容性研究'>第五章 TiO₂纳米材料细胞相容性研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验原料及主要仪器
• 5.3 实验方法
• 5.4 样品的表征
• 5.5 结果与讨论
• 5.5.1 不同样品表面结构性能
• 5.5.2 细胞的粘附与增殖
• 5.5.3 细胞的分化
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件