（生物医学工程专业论文）钛表面活化与生物活性研究.pdf

层，热处理使t i 0 2 一凝胶层晶体化，稳定性提高，表面得到增厚的致密的金红 石型t i 0 2 薄膜。 通过模拟体液( s b f ) 考察材料表面诱导磷灰石形成的能力，分析表面理化因 素对磷灰石形成的影响。结果表明，t i 0 2 一凝胶层稳定性提高，晶体化的t i 0 2 ， 表面的粗糙度高和孔隙结构有利于促进磷灰石形核沉积，提高表面生物活性。 生物学评价结果显示，经过活化处理的材料表面均具有良好的生物相容性， 能够促进细胞的粘附增值。其中微孔结构有利于细胞粘附。 关键词：生物活性t i 0 2 一凝胶类骨磷灰石微孔结构 t h ei n f l u e n c eo fp h y s i c a la n d c h e m i c a lp r o p e r t i e so n b i o a c t i v i t yo f t r e a t e dt i t a n i u ms u r f a c e n a t i o n a le n g i n e e r i n gr e s e a r c hc e n t e rf o rb i o m a t e r i a l m a s t e rc a n d i d a t e ：b oz h a n gs u p e r v i s o r ：b a n g c h e n g g a n g a b s t r a c t t h em a t e r i a l st h a tc a nt a k eb i o c h e m i s t r y r e a c tw i t ho r g a n i s mt i s s u ea r e b i o a c t i v em a t e r i a l s t h e yc a nc o n n e c tw i t ht i s s u e sb yc h e m i c a lb o n d i n gw h i c h f o r m e dt h r o u g hp h y s i c a la n dc h e m i c a lr e a c t i o n t h i sb o n d i n gi sc o n t i n u o u s l yi n i n t e r f a c es t r u c t u r ea n df u n c t i o nu n d e rm o l e c u l a rs i z e e a r l yr e s e a r c hi n d i c a t e dt h a tt i t a n i u ms u r f a c ec a nf o r m e dab o n e - l i k ea p a t i t e l a y e ra f t e rs u r f a c em o d i f i c a t i o ni nb i o l o g i c a le n v i r o n m e n t n i sk i n d o fm e n t a l c o n t a i n i n gb o n e - l i k ea p a t i t el a y e ri sc a l l e db i o a c t i v em e n t a l r e c e n ts t u d yp r o v e dt h a tt h et h i c k n e s s ，m i c r o s t r u c t u r e ，c h e m i s t r yc o m p o s i t i o n o fo x i d ef i l mc a na f f e c t e dt h eb i o l o g i c a lc o r r o s i o n - r e s i s t a n c ea b i l i t y , h y d r o p h i l e p r o p e r t y a n db i o a c t i v em a c r om o l e c u l ea b s o r p t i o n ，t h e n a f f e c t e dt h e b i o c o m p a t i b i l i t ya n d t h em a t c hp r o c e s si nt h eb o d y t h es u r f a c eo ft i t a n i u mh a sal a y e ro fd e n s et i 0 2a f t e rb e i n gt r e a t e dw i t h s p e c i a l l ym e t h o d ，ac h e m i c a lb o n d i n gc a nb ef o r m e db e t w e e nt i t a n i u ma n db o n e u s u a l l yw ec o n s i d e rt h a tt h et i 0 2 一g e le n r i c ho ft i o hd o e sai m p o r t a n tr o l ei nt h i s p r o c e s s c u r r e n t l y ，t h es t u d yo ft i t a n i u ms u r f a c em o d i f i c a t i o ni sm a i n t y f o c u so na d d a p a t i t ec o a t i n go n t ot i t a n i u md i r e c t l yo rm a k eb i o a c t i v et i 0 2 一g e ll a y e r w et o o kt h em e t h o d so fa l k a l it r e a t e d ，a l k a l i h e a t e dt r e a t e da n da c i d a l k a l i t r e a t e d ，a c i d a l k a l i h e a t e dt r e a t e dt om o d i f yt i t a n i u ms u r f a c e ；a n a l y z e dt h es t a b i l i t y o ft i 0 2 一g e l ，t h em i c r os t r u c t u r eo ft i 0 2l a y e r ，c h e m i s t r yc o m p o s i t i o na n dt h e i n f e c t i o n so fa l lt h e s ef a c t o r st oa p a t i t ef o r m a t i o np r o c e s s f u r t h e r m o r e ，w eu s e d m t tt oi n v e s t i g a t eo s t e o b l a s t sd i f f e r e n t i a t i o no nd i f f e r e n ts u r f a c e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h es u r f a c eo fb o t ha lk a lit r e a t e dtit a niu ma n d a c i d a l k a l it r e a t e dt i t a n i u mf o r m e dt i 0 2 一g e ll a y e r a f t e rh e a t i n ga ta t e m p e r a t u r eo f 6 0 0 f o rt w oh o u r s t h i sl a y e rc r y s t a l l i z e da n dt i 0 2t u r ni n t or u f f l ep h a s e i “ w ei n v e s t i g a t e dt h ea p a t i t ef o r m a t i o na b i l i t yo fd i f f e r e n ts u r f a c et h r o u g h s i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) ，p r o v e dt h a tt h es t a b i l i t yo ft i 0 2 g e l ，c r y s t a l l i z e dt i 0 2 a n dt h ep o r o u ss t r u c t u r eh a da d v a n t a g e o u st op r o m o t et h ea p a t i r ef o r m a t i o n t h eb i o l o g i c a le v a l u a t i o n0 1 1d i f f e r e n tt r e a t e dt i t a n i u ms u r f a c es h o wu st h a ta l l t h em a t e r i a l sa f t e rb i o a c t i v et r e a t m e n th a dag o o db i o c o m p a t i b i l i t y , m a dc a np r o m o t e t h ed i f f e r e n t i a t i o no fo s t e o b l a s t f u r t h e rm o r e ，w ef o u n dp o r o u ss t r u c t u r ei sb e n e f i t f o ro s t e o b l a s tt oa c c a c hw i t h k e yw o r d s ：b i o a c t i v i t y t i 0 2 - - g e l b o n e l i k ea p a t i t e p o r o u ss t r u c t u r e 钛表面活化与生物活性研究 第一章绪论 1 1 生物材料和生物活性材料 生物材料，又称生物医用材料，是一类能够和生物体系统相互作用，用以 渗断，治疗，促进甚至代替机体中的组织，器官的部分或全部功能的材料。生 物材料的分类有不同的标准。根据来源的不同，主要分为天然的与合成的两大 类；根据材料的种类分包括金属，陶瓷和高分子，生物体以及它们的结合体等； 根据材料的不同生物学表现分为生物活性材料和生物惰性材料u l 。 生物材料使用的历史可以追溯到公元前1 5 0 0 年，但是生物材料的广泛使用 并正式形成科学体系只是近一百年的事情l 。 2 0 世纪6 0 年代朱期开始从材料与生物系统相互作用的角度，提出了生物 活性材料的概念。“生物活性”的概念最早是由h e a c h 4 1 教授1 9 6 9 年基于生物 玻璃能与骨组织形成键性结合的发现而提出的，次年此概念在国际上也得到了 公认。经过多年的研究发展，生物活性和生物活性材料的含义也在不断发展变 化。当前认为，所谓生物活性材料是泛指在生理环境中可与机体发生选择性的 生物化学反应，与周围组织，包括硬组织和软组织形成化学键性结合( c h e m i c a l b o n d i n g ) 的材料。这种化学性的键合是指植入体和活体组织问通过物理一化学 过程达到的连续性的，分子水平的结合，包含了在界面结构上的连续性和功能 上的连续性两方面的要求。 9 0 年代以来，由于材料学、细胞生物学、分子生物学和医学的迅速发展， 试验仪器的不断进步，得以在细胞和分子水平上认识材料与机体间的相互作用。 这一时期产生的大量研究成果，为生物材料的发展指明了方向，提出了彻底地 解决生物医用材料在临床应用中出现的问题的可能性，即赋予材料生物结构和 生物功能，以再生和修复人体组织或器官或增进其功能，这已经成为了当代生 物医用材料发展的方向和前沿，其目的在于充分调动机体康复和完善的能力， 实现病变或缺损组织器官的永久修复f 2 】。 1 2 生物医用金属 迄今为止，用于硬组织修复和替换的材料仍然首推金属及其合金。人体的 骨和关节系统是人运动系统的重要组成部分。生物医用材料要求材料具有良好 钛表面活化与生物活性研究 的生物相容行性，化学稳定性和高的生物安全性。骨和关节复杂的应力应变特 殊性还要求硬组织替代材料具有良好的力学性能，包括力学强度，韧性和疲劳 强度等，以及材料与组织之间具有高的结合强度。 金属材料在医学中的应用已有很长的历史。公元前4 0 0 3 0 0 年，腓尼基人 就用金属丝结扎法修复牙缺失【2 i 。最先广泛用于临床治疗的金属材料是具有良 好化学稳定性及加工性能的金、银、铂等贵重金属。二十世纪前还曾经将铜、 铅、镁、铁和钢等用于f 临床试验，但都因为它们的耐腐蚀性差，生物相容性差 或力学性能偏低等各种原因而未能广范应用t 2 - 3 1 。 1 9 1 3 工业用不锈钢发明以后，其良好的耐腐蚀性，足够强的力学性能，优 良的冷、热加工和成型性，使其很快在临床上获得应用，成为现代生物医学材 料发展的一个重要罩程碑。其中具有代表性的是1 8 c r s n i 类奥氏体不锈钢。到 了3 0 年代，钴铬类合金首先在齿科上得到成功应用。这类材料由于具有优异的 耐磨性、耐腐蚀性，良好的生物相容性等优点而迅速被广泛认可并应用到骨科。 5 0 年代，生物相容性更为优良的钛开始应用于临床。随后，一种强度比纯 钛更高，耐腐蚀性和比重与纯钛相似的t i 6 a 1 4 v 合金研制成功，极大的促进了 钛基合金在临床上的广泛应用。 金属生物材料与陶瓷和高分子生物材料相比，普遍具有优异的力学性能优 势，但是其生物活性较低。由于金属与骨在组织结构和性质上的巨大差异，金 属植入体在植入后与骨的界面之间会形成一层纤维组织膜，使金属与骨不能形 成稳定的结合。再加上骨与关节运动，承载的特性，易造成植入体的松脱，影 响长期植入效果，导致植入失效。 金属骨替换材料植入体内后，与骨组织的结合方式分为形态固定 ( m o r p h o l o g i c a lf i x a t i o n ) 、生物固定( b i o l o g i c a lf i x a t i o n ) 、骨整合( o s t e o i n t e g r a t i o n ) 和骨键合( b o n e b o n d i n g ) 。后者也称为生物活性结合( b i o a c t i v ef i x a t i o n ) i 甜。为了 解决金属植入体长期固定的问题，从八十年代开始，对植入体固定的原理和方 法开展了系统的研究，主要集中在生物固定( b i o l o g i c a lf i x a t i o n ) 年r l 化学键合 ( c h e m i c a lf i x a t i o n 或c h e m i c a lb o n d ) 两种固定机制的研究。前者是通过新骨长 入植入体多孔金属表面达到固定，而后者是在植入体金属表面进行表面活化处 理，使其金属表面具有生物活性，新生骨与生物活性表面直接形成化学键性结 合而达到固定的目的。其中骨键合是最理想的结合方式。 认表面括化与生物活盹研究 1 3 医用钛及其合金 钛作为骨替代植入材料，具有以下优点1 6 j ：( 1 ) 良好的生物相容性。钛的 化学性质比较活泼，其表面在空气中迅速氧化形成氧化膜。这层氧化膜是致密 的钝化层，具有很强的耐腐蚀性。钛及其合金具有良好的生物相容性主要是因 为这层氧化膜的作用。( 2 ) 很小的生物毒副作用。钝化层的稳定性避免了钛在 生理环境下的进一步腐蚀，减小了溶出物的数量，对细胞，组织没有伤害性的 影响。( 3 ) 与骨较为匹配的力学性能。钛的强度高，达到了3 9 0 到4 9 0 m p a ， 同时具有各种金属中最接近骨的弹性模量( 1 1 0 g p a ) ，有利于界面力的传到， 减小应力集中的危害。( 4 ) 密度小。钛属于轻金属，比重为4 8 ，与骨相近。( 5 ) 原料丰富。 由于具有以上优点，钛被用来作为牙种植体，骰关节和膝关节等产品，并 且已经在临床应用上取得了令人信服的效果。 但是钛作为金属植入体，仍然不能避免其它医用金属材料所具有的弊瑞， 例如生物活性差，愈合时间长，结合强度低，长期植入效果不理想等。 1 4 钛表面活化依据 对材料与生物体相互作用机制的大量研究表明：生物材料表面的成分、结 构、表面形貌、表面的能量状态、亲( 疏) 水性能、表丽电荷、表面的导电特 征等表面化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互作用1 7 1 “。 钛具有良好的力学性能和生物相容性，但是钛在本质上是一种生物惰性材 料，难以与骨形成骨键合。钛表面氧化膜以t i 0 2 为主，以两种不同的结构形式 一金红石型和锐钛矿型存在。9 0 年代以来，通过对钛表面氧化钛膜的研究，认 为此膜是一种类陶瓷，在医学中表现出了一般生物陶瓷所具有的一些生物学特 性，使钛成为一种不完全的生物惰性材料。 1 9 6 7 年以h e n c h 为首的研究小组首选生物玻璃s i 0 2 一p 2 0 5 c a o n a 2 0 四元 体系( 命名为4 5 s 5 的生物玻璃) ，进行了体内外实验研究。早期的鼠股骨植入实 验表明，所有4 5 s 5 生物玻璃在6 周后均与皮质骨形成键合，实现陶瓷材料与 骨之问的直接化学键合，首次提出生物活性玻璃和陶瓷的概念。 利用透射电镜对骨生物活性玻璃界面进行了超微结构研究，发现键合是通 钬表面括化与生物活性州宄 过在植入体表面产生无定形表面凝胶层实现的，其厚度在8 0 n m 1 0 0 n m 之间， 与成熟骨中构成“水泥线”( c e m e n tl i n e ) 的物质等同。成骨细胞通过胶原纤维 铺置到这层无定形键合层上，随后矿化在胶原网络中，形成类骨磷灰石层 ( b o n e l i k ea p a t i t e ) 。其成分与构成人体骨的无机成分相似。结果是生长的晶体 桥联植入体和成熟骨间的界面空间，玻璃陶瓷中的磷灰石相在键合形成中不起 作用。在体内环境中形成表面磷灰石相，是通过玻璃陶瓷体相中的硅灰石和玻 璃相降解、释放出c a ”和h s i 0 3 1 ，并通过它们问的反应完成。在无p 2 0 ，的 c a o s i 0 2 玻璃体系中，也能形成表面磷灰石型结构而实现与活体骨的键合。由 此认为两种主要的键合方式是，界面处以胶原与羟基磷灰石的混合型键合和羟 基磷灰石外延生长键合旧1 4 j 。 生物活性玻璃骨界面键合强度可达到这样的水平，即在力学实验中，断裂 不是发生在骨内一侧就是发生在材料一侧，而界面键合处却保持完整。此种界 面结合强度可以达到甚至超过骨和植入体自身的强度。当生物活性玻璃一骨界面 键合形成后，这种键合很牢固，与正常愈合的骨折界面强度等效。 进一步的研究发现，生物惰性的金属材料等表面也可以通过表面形成羟基 磷狄石覆盖层而与骨直接形成骨键合，表现出生物活性。例如钛金属表面通过 特定方法活化改性后与生理环境接触，表面可沉积一层类骨磷灰石，从而实现 植入体表面与骨组织的键合。这一研究发现标志着“生物活性会属”概念的出 现 15 - 2 0 1 0 目前的研究认为钛表面氧化膜的厚度、组织结构、化学成分及t i 0 2 的结构 类型等，与材料的耐腐蚀性、表面亲水性和生物大分子的选择性的吸附有着直 接的影响，进而影响到钛的生物相容性以及在体内的愈合过程1 5 1 0 适当的增加 氧化膜的厚度，改变t i o z 晶体结构，使其转化为致密的金红石结构，可提高耐 腐蚀性。 钛表面的二氧化钛是致密的钝化层，诱导磷酸盐沉积的能力极差，甚至不 能诱导。所以钛和钛合金植入体与骨组织往往形成骨整合。但是若经过适当处 理，使得表面二氧化钛被生物活化，它们就能与骨组织形成骨键合。通常认为， 表面钛羟基( t i - o h ) 在这一过程起着重要作用。目前的钛及其合金的表面活 化处理研究，除了在表面直接涂覆磷酸盐涂层外，主要都集中在制备具有生物 活性的二氧化钛氧化层和富含钛羟基的凝胶层，并通过优化其微观结构和理化 钛表面活化b 生物活性研究 性能来提高植入体的生物活性。 1 5 医用金属表面改性方法 金属植入体与骨之间理想的结合方式是骨键合，即生物活性结合。由于医 用金属材料的结构和性质与骨组织相差很大，口通常不能像生物活性材料那样 与骨组织发生化学键性结合，即它本身不是生物活性材料。为了赋予金属材料 以生物活性，需对其进行表面活化处理。 由于钛表面自然形成的约有几个纳米厚的氧化层，未经表面活化处理的钛 金属置于模拟体液( s b f ) 中4 周时间也能观察到类骨磷灰石的沉积1 2 t - 2 2 1 ；临 床上钛金属与骨组织结合的时间更是需要1 0 0 天以上【2 ”。为了在尽可能短的时 问内达到钛金属植入体与周围骨组织之间的生物活性结合，目前已开发研究了 多种提高钛表面生物活性的技术。表面活化处理后，金属材料既保能持了金属 材料高的机械强度，又有表面生物活性。如果使生物活性涂层中各成分呈一定 的梯度分布，则骨组织与金属材料中的负荷经由这一活化梯度层传递，更有利 于减少应力屏蔽作用。 i s 1 生物活性涂层沉积技术 目前，通过各种物理气相沉积技术在铁金属表面沉积h a 或磷酸钙生物活 性涂层的应用晟为广泛。这些技术包括等离子喷涂羟基磷灰石( p l a s m a s p r a y i n g ) 2 4 - 2 6 1 ，磁控溅射( m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 2 7 - 2 9 1 ，离子束溅射( i o nb e a m s p u t t e r i n g ) 1 3 0 1 , 和脉冲激光法( 1 a s e r a b l a t i o n ) 1 3 1 - 3 3 1 等。这些物理技术的工艺比 较成熟，可以方便的在钛金属表面获得致密的生物活性陶瓷涂层，已经得到了 广泛应用。但是，它们都需要使用结构复杂，价格昂贵的设备，且工艺参数不 易控制，在形状复杂的基体表面难以应用。由于使用这些方法在钛金属表面涂 覆磷灰石涂层时大都涉及到高温后处理，易造成涂层的成分变化，晶体粒度不 均匀，以及晶体结构不易控制，涂层易分解；此外，由于这些陶瓷与钛金属的 热膨胀系数差异巨大，在从高温到室温的快速冷却过程中产生的巨大热应力作 用会导致涂层产生大量微裂纹，进而影响到涂层与钛金属基体之间的结合强度 下降，结合强度不理想。为了提高磷灰石和钛金属基体之凸j 的界面结合强度， b r e m e 【2 4 j 等往纯钛中添加质量比为2 8 的锰。在锰含量增加到8 时。 钛表商活化与生物活性研究 合余的热膨胀系数从商业纯钛的l o 5 t o “k 叫增加到1 3 1 1 0 - 6 k ，与h a 的热膨胀系数1 4 1 1 0 “k 。接近，但是，由于锰元素的增加，导致钛金属的 韧一陛严重降低。 为了避免磷狄石在钛金属表面涂覆过程中因为高温而产生的对涂层的不利 影响，陆续研究开发了一系列能够在常温或低温条件下进行的生物活性陶瓷涂 覆技术。 c h e n 3 4 1 等利用电结晶法( e l e c t r oc r y s t a l l i z a t i o n ) 在钛基上涂覆一层均匀的 h a 和磷酸氢钙( b r u s h i t e ) 混合涂层，以钛金属为阴极，c a ( n 0 3 ) 2 和n h 4 h 2 p 0 4 为电解质溶液，恒温4 0 c ，在5 2 5 v 直流电压作用下，阴极表面发生如下反 应： 2 h 2 0 + 2 e = h 2 + 2 0 h 导致材料表面区域p h 值升高，h a 或磷酸氢钙的过饱和度增高，结晶析出。 阴极产生的氢气阻碍了c a ，p 离子的形核过程，并影响已沉积涂层的致密度。 往电解液中添加酒精可以抑止氢气泡的形成，从而提高c a ，p 离子的沉积速度 和涂层致密度。 在此研究基础上，h a n l 3 5 】等采用相同的方法不同的工艺在t 1 6 a 1 4 v 集体上 电结晶出纯的磷酸氢钙。而后用水热处理，获得纯的h a 涂层。w e i t 3 6 等则直 接用h a 溶液作为电解液在钛基上涂覆h a 。陈小明 3 7 】等采用电泳沉积技术， 以经h a 包覆的生物活性玻璃( b i o a c t i v eg l a s s ) 无水乙醇胶体悬浮液为电解液， 在阴极上同时沉积出h a 和生物活性玻嫡。再经9 2 5 高温处理烧结后，可以 获得和基体结合强度达到1 8 m p a 的h a 生物活性玻璃混合梯度涂层。 其他还有热压法，生物活性玻璃烧结涂层，生物活性玻璃陶瓷烧结涂层法 等生物活性涂层技术。 1 5 2 钛凝胶涂层沉积技术 l i l 3 8 - 3 9 等在研究钛金属表面生物活性时发现，含t i - - o h 基团且呈电负性 的表面氧化钛层在诱导h a 形核的过程中具有重要的作用。在体液环境中，c a 2 + 离子在o h 离子和具有电负性的表面因素共同作用下首先被吸附到钛表面，进 而通过c a 2 + 离子吸引p 0 4 ”离子形成h a 品核。因此，在钛表面涂覆一层富含 t i o h 基团的钛凝胶，可以获得良好的生物活性。 饿表面活化与生物活性研究 溶胶凝胶技术是在钛金属表面获得富含t i o h 基团的钛凝胶的常用方 法。此法是在钛和钛合金表面制备钛凝胶，使钛具生物活性。通常在钛酸酯( 钛 酸甲酯、钛酸乙酯或钛酸丁酯) 的醇溶液中加入少量水，酯水解并聚合形成聚 合胶体。有时还加入少量酸作催化剂。若在此溶液中浸提钛，钛凝胶涂覆于钛 表面，在0 。c 涂覆后再于室温下干燥形成凝胶膜，经高温热处理后，得到锐钛 矿型二氧化钛晶体。在热处理过程中凝胶层产生裂纹难以避免。同时，制备超 过1 微米厚的均匀涂层也比较困难。用5 0 0 。c 左右进行热处理后，钛胶表面仍 然含有羟基。在生理溶液中，高度水合的钛胶迅速水解，而生理溶液的p h = 7 ， 大于二氧化钛溶液( 锐钛矿型) 的等电点p 2 c ，p h = 6 2 6 ，8 ，因此，水解后表 面带负电，因静电引力经氢键而结合c a 2 + ，c a 2 + ，p 0 4 的富集增加了局部过饱 和度，产生异相成核，结晶生长为类骨磷灰石。溶胶凝胶法制备的涂层的形貌 和性质与钛底材的预处理、溶胶的粘度和成分等有关。 采用溶胶一凝胶技术制备钛溶胶的方法十分复杂，且通常需要在低温和有 保护气下操作。因此发展了采用化学处理在钛基体一k 通过适当反应获得富含t i o h 基团的方法。 k o k u b o ( 4 叫4 1 研究小组的大量研究结果显示，将t i 或钛合金恒温6 0 在5 1 0 m 0 1 浓度的n a 0 h 碱溶液中浸泡2 4 小时，钛金属表面可以形成一层非晶态的 t i 0 2 一凝胶层，分析其中含有n a 2 t i 0 3 。将材料置于s b f 中，凝胶层中的n a * 与s b f 中的h + 交换，凝胶层转化为水合钛胶，同时引起局部o h 浓度增大，p h 值升高，c a ，p 离子过饱和度增大，从而引发磷灰石形核沉积。再将经过碱处 理的钛在6 0 0 条件下热处理一段时问，可以使非晶态的t i 0 2 一凝胶层晶体化， 在植入体内以后能提高材料与周围骨组织的结合强度，达到分予水平的化学键 合。 此外，还有研究发现，经过含有s n c l 2 和t a c i s 成分的双氧水处理【4 刮后在 钛表面也可以获得富含t i o h 基团的非晶态二氧化钛层。不经过热处理，非晶 态的二氧化钛在s b f 中浸泡7 天后能在表面形成磷灰石，但是效果不好。如果 将以上材料在4 0 0 温度下热处理一段时间后，表面非晶态氧化钛结晶转化为 锐钛矿结构，在s b f 中浸泡l 天就可以沉积出磷灰石成分，效率大大提高。同 时，体内植入实验证明，经过以上双氧水和热处理的植入体也能与周围骨组织 形成化学键合。 车 表面活化与生物活性研究 1 5 3 其它钛金属活化技术 阳极氧化法 4 6 q 8 1 以钛金属作为阴极和阳极，用h 2 s 0 4 作为电解质溶液组成。 在阴极和阳极间施以直流电压。电解质溶液的浓度为1 3 m o l l 。直流电压为 9 0 1 8 0 v ，氧化时间为 m i n 。研究表明，在阳极氧化后的钛表面产生了金红石 型和锐钛矿型的混合氧化钛层。当电解质浓度为l m o l l 时，在9 0 l 8 0 v 问调 整电压，随电压的升高，氧化层中锐钛矿逐渐减少，而金红石含量逐渐升高。 在s b f 中，材料的生物活性，即类骨磷灰石形成的能力随氧化电压升高而增长。 阳极氧化的条件，如电解质浓度和电压强度是决定钛氧化物组成的关键因素。 如果电解液中含有c a 、p 离子，则氧化后得到的氧化钛层中也会含有这些离子， 可以有效地提高材料的生物活性。 生物仿生沉积h a 过程( b i o m i m e t i cp r o c e s s ) 是模拟生物体内无机矿物形 核的过程，在材料表面功能基团，在过饱和磷酸钙溶液中，利用基团的作用诱 发形核结晶，形成h a 涂层的方法。k o k u b 0 1 4 9 - 5 0 研究小组提出了在高分子材料 表面制备h a 涂层的方法：将高分子基板和浸泡在s b f 中的c a o - s i 0 2 基陶瓷 颗粒接触，使h a 在基板表面形核。然后将基板在各离子浓度为s b f 溶液1 5 倍的s b f 中浸泡一段时间可以在材料表面沉积h a 。 1 6 本文立论依据 在满足力学性能的前提下，金属硬组织替代植入体与机体组织的相互作用 实质上就是植入体表面与机体问的相互作用。因此，金属植入体表面的理化特 性对于材料的生物活性表现起着决定性的作用。目前的大量研究表明：医用生 物材料表面的成分、结构、表面形貌、表面的能量状态、亲( 疏) 水性能、表 面电荷、表面的导电特征等表面化学、物理及力学特性等因素均会影响材料的 生物活性。通过物理、化学、生物等各种手段改善材料表面的理化性质，发挥 有利因素的作用，同时抑止不利因素的影响，以达到大幅度改善材料的生物活 性。 钛及其合金表面的生物活化处理过程中，形成具有生物活性的氧化钛薄膜 和富含t i - - o h 的凝胶层具有重要的意义。其生物活化机理被认为是表面t i o ， 在溶液中结合o h 一，带负电荷，利于结合c a 2 + 。k o k u b o 的碱热法1 5 、研究表明 钛表面活化与生物活性研究 在强碱溶液中处理后，分析判断出钛表面有n a t i 0 3 钛胶。热处理温度达到6 0 0 时，有少量金红石晶体和钛酸钠( n a 2 h5 0 1 1 ) 晶体。温度继续升高，出现更 多的n a 2 t i 5 0 i l 和金红石晶体和锐钛矿晶体，而钛酸钠无定形相消失。 酸碱两步法pz 】的可能机理为： 高浓度的n a o h 使钛离子从表面溶出并沉淀，从而使表面转化为富含钛酸 根的凝胶结构。 t i 十2 0 h + h 2 0 一t i 0 3 2 h 2 ( g ) 已经证明，二氧化钛溶胶凝胶层在模拟体液中具有的磷灰石诱导能力。 k o k u b o 等将钛片在7 0 * ( 2 ，5 至1 0 m o l n a o h 中处理2 4 小时后，在模拟体液中观 察到类骨磷灰石生成，同时体内植入实验结果显示出较高的与骨组织的结合强 度；因此提出，表面钛酸电离后使钛表面带负电荷从而能通过库仑力吸引溶液 中钙离子；表面吸引的钙离子则可以再次通过库仑力吸引磷酸根。此过程反复 进行可形成磷酸钙的初始晶核；而形成的类骨磷灰石层是植入材料具有骨结合 ( b o n e - - b o n d i n g ) 能力的主要原因。 清华大学的崔福斋教授i s 3 j 指出，锐钛矿结构的t i 0 2 和h a 之间的低晶格错 配度在活化处理钛表面诱导磷灰石形成的过程中具有重要作用。这种结构有利 于磷灰石晶核在t i 0 2 晶体颗粒上外延生长，因此经过热处理结晶后的氧化层诱 发h a 形核的孕育期明显短于非晶态的钛凝胶。k o k u b 0 1 5 4 】的研究显示，含n a ， c a 离子的非晶态钛凝胶不能促进材料在s b f 中诱导h a 形核的能力，尽管这 样材料可以通过释放c a “离予以及n a + 与h + 离子交换作用使得s b f 局部过饱和 度增加。其他结果还显示，将碱处理后得到的非品态钛凝胶在4 0 温水中浸泡 4 8 小时以去除n a 。，再经过6 0 0 热处理，可以加速h a 的沉积效率。实际上， 相对于增加s b f 的局部c a ，p 离子过饱和度，h a 晶核的这种外延生长作用对 钛表面凝胶物质的生物活性更为重要。 d u a nyr 和y u a nhp | 55 l 等研究了致密和多孔磷酸钙陶瓷发现有微孔结构 的陶瓷材料的生物活性远远高于孔洞表面致密结构陶瓷。前者具有骨诱导能力， 植入肌内能成骨。表明微孔结构在生物活性陶瓷中具有重要的作用。这种微孔 结构在经过某些生物活化改性方法处理后的钛表面也能观察到，可以推断金属 表面的微孔结构在诱导磷灰石形成的过程中同样具有重要作用。 同时有研究表明，只要钛表面氧化膜具有适宜的表面结构，有高表面能， 9 毫k 表面活化与生物活性研究 就能使钝化膜转化为生物活性膜56 1 ，例如钛表面的粗糙度可以影响钛的生物活 性。 钛生物活性与其表面氧化膜晶型无必然的联系，即锐钛矿和金红石膜均可 通过适当方法进行表面活化改性。 1 7 研究目的和方法 钛及其合金植入体表面活化改性后，通过t i 0 2 一凝胶层在体液环境中诱导 生成类骨磷灰石，进而与骨组织形成键合。因此t i 0 2 一凝胶层的成分，微观结 构以及它在体液环境下的变化与其诱导类骨磷灰石形成的能力有密切关系。 本文采用碱处理，碱热处理和酸碱处理，酸碱热处理的方法对纯钛表面进 行活化，通过对比，重点研究t i 0 2 凝胶层的微观结构和它在液体环境下的变 化，以及分析这种变化对类骨磷灰石形成的影响。 为此，本论文内容分以下几点： ( 1 ) 不同化学物理法处理钛表面t i 0 2 一凝胶层的微观形貌比较分析； ( 2 ) t i 0 2 一凝胶层稳定性分析及其对类骨磷灰石形成的影响的讨论： ( 3 ) 通过在模拟体液( s i m u l a t e db o d yf l u i d ，s b f ) 中的浸泡试验，考察不 同化学物理法处理表面t i 0 2 膜微观结构对类骨磷灰石形核的影响。 ( 4 ) 考察不同表面粗糙度对活化钛表面诱导磷灰石沉积能力的影响。 ( 5 ) 在不同处理的材料表面进行成骨细胞培养的生物相容性试验和细胞增 值试验，考察其生物活性以及材料微观结构对细胞形态结构和增值的影响。 通过以上试验分析经过活化的材料表面对其生物活性有利的理化因素， 以促进材剁诱导类骨磷灰石的能力。 钛表面活化与生物活盹研宛 第二章钛的表面活化及t i o ：一凝胶物质稳定性分析 2 1 引言 钛及其合金具有力学性能与骨比较匹配的特点，是应用广泛的人体硬组织 修复材料。但是钛及其合金本质上是生物惰性材料，直接将钛或钛合金植入人 体还存在许多问题，例如与骨结合强度低，生物活性差，愈合时间长，长期植入 效果不理想以及游离钛的产生等。未经处理的钛表面在空气中能形成一层很薄 的t i 0 2 氧化膜，这层氧化膜能耐生理腐蚀，有一定的生物相容性，但是几乎没 有生物活性，是一层生物惰性的钝化膜。因此，肌体与钛及其合金植入体之间 的反应主要就是这层氧化钛与肌体之间的反应。对钛金属表面氧化膜改性，使 其表面具有生物活性，能够与骨形成键合，并能长期替代组织功能成为目前此 类研究的热点。 钛表面改性方法主要分为化学法、物理法以及电化学法三大类。其中常用 的化学法包括碱处理法，酸碱两步法等。目前的研究表明，经过上两种方法改 性后，可以在钛的表面获得具有生物活性的t i 0 2 一凝胶层，在体液环境中能够 在表面诱导生成类骨磷灰石，从而与骨组织形成牢固的键合。这主要是由于这 主要是材料表面t i 0 2 一凝胶层富含的大量t i o h 基团的作用。据此，日本的 k o k u b o f l 提出了生物活性金属的概念。t i 0 2 一凝胶层的物理化学特性决定了钛 的生物活性表现。 研究表明，对材料进行碱处理过程中，首先n a o h 碱溶液中的高浓度的 o h 一基团使t i 0 2 溶出并沉淀，发生以下反应： t i 0 2 + o h 一一h t i 0 3 一 从而使t i 0 2 表面转化为富含钛酸根的凝胶结构( n a 2 t i 0 3 ) 。在液体环境下， n a + 离子与h 3 0 一离子交换，形成水合钛胶，富含o h 一。同时导致液体局部d h 值升高】。 酸碱处理的机理与碱处理相似。所不同的是，先用酸处理可以在钛表面形 成许多微米级的小7 l ，大大增加了钛的比表面及相应的表面能。因此再用碱处 理可以减小对碱浓度和处理时间的要求。 再经过高温处理，富合钛酸根的凝胶结构失水，钛表面形成增厚的致密的 纳米金红石型二氧化钛颗粒聚集的结构可以提高材料的耐腐蚀性。 钛表面活化与生物活性研究 2 2 材料 商业用纯钛( 两北有色金属研究所) ，样品尺寸为( p l o m m l m m 。 2 3 实验方法 首先将样品用1 2 0 0 目的水砂纸磨光滑，然后用石油醚、酒精和去离子水在 超声清洗器( k q 2 5 0 ) 中轮流清洗三次，以除去材料表面因机械加工而残留的 油污。接下来爵用l o ：1 的硝酸和氰氟酸混合溶液对材料进行酸洗，去除材料 表面的氧化物，以便在后面的表面处理中获得新的，均匀的氧化膜。最后将材 料在去离子水中清洗干净，低温烘干备用。 本实验样品分四组( o l o m m i r n m ) ，分别采用碱处理，碱热处理和酸碱 处理，酸碱热处理的方法进行改性。 ( 1 ) 碱处理：将上述钛片在1 0 m o t l ，6 0 e 3 恒温的n a o h 溶液中浸泡2 4 小时，用去离子水清洗，低温烘干，获得碱处理钛： ( 2 ) 热处理：再将碱处理钛片在空气中加热到6 0 0 口保温2 小时，随炉冷 却，获得碱热处理钛： ( 3 ) 酸碱处理：将钛片浸入由9 8 h 2 s 0 4 、3 7 h c l 和去离子水按1 ：1 ： 2 体积比组成的混合溶液中，恒温7 0 0 c 放置半小时；然后再浸入6 m n a o h 溶 液中，恒温7 0 保持5 小时，低温烘干，获得酸碱处理钛； ( 4 ) 酸碱热处理：将酸碱处理钛片在空气中加热到6 0 0 口保温2 小时随 炉冷却，获得酸碱热处理钛。 用扫描电镜( s e m ，j s m 5 9 0 0 l v ) 和x 射线衍射仪( x r d ，y 一2 0 0 0 型x 射线衍射仪，丹东射线仪器有限公司) 观察材料表面t i 0 2 一凝胶层的微观形貌。 将四组钛片分别放置于去离子水中，使用p h 计( p h s 一2 5 型p h 计，上海 伟业仪器厂) 测定去离子水p h 值随时间的变化关系，分析比较材料表面凝胶 层或凝胶物质在液体环境中的变化。 2 4 结果 2 4 1s e m 图2 1 是四组经过处理钛的表面微观形貌。 钛表面活化与生物活h ! j l _ 究 图2 ，i ：钛表面经不同方法处理而的s e m 图片。 ( a ) 碱处理，( b ) 碱热处理和( c ) 酸碱处理，( d ) 酸碱热处理 经过碱处理后在钛表面( 图a ) 形成了一层疏松的凝胶状物质。在其表面 产生了一些裂纹，可能是在烘干过程中产生的。从裂纹边缘可以看见钛基体， 说明形成的凝胶层非常薄：上述处理过的材料经热处理后，表面层的微观结构 发生了很大变化( 图b ) 。凝胶状物质晶体化，表面被竹叶状的晶体和纳米级的 颗粒组成的致密结构体覆盖。 经过酸碱处理( 图c ) 后，在钛表面也形成了一层凝胶状物质。直接观察 可以看出，酸碱处理得到的凝胶层比仅用碱处理得到的凝胶层厚度增大，结构 更为复杂，为多孔网状结构；再经过热处理后( 图d ) ，多孔结构凝胶层收缩成 颗粒状的晶体。 对比图( b ) 和图( d ) ，碱热处理钛表面的氧化钛颗粒均匀，达到了纳米 钛表面活化与生物活性研究 级，而酸碱热处理钛表面的氧化钛颗粒较为粗大，且粒度不均匀，孔隙率较高 吲而表面具有更大的粗糙度和相应的表面能。 2 4 2x r d 图2 2 是未处理钛( t i ) ，碱处理钛( j t i ) ，碱热处理钛( j r t i ) 的x r d 衍射谱图。 x r d 分析显示，经过碱，碱热处理后，表面钛的特征峰逐级下降：热处 理钛表面形成了金红石型的t i 0 2 。 圈22 未处理钛( t i ) ，碱处理钛( j - t i ) ，碱热处理钛( j r t i ) 的x r d 图 图2 3 是未处理钛( t i ) ，酸碱处理钛( s j t i ) 和酸碱热处理钛( s j r t i ) 的x r d 衍射谱图。 同样，在经过酸碱，酸碱热处理以后，表面钛的特征峰逐级下降，经过热 处理的钛表面形成了金红石型( r t i 0 2 ) 氧化钛和锐钛矿型( a t i 0 2 ) 氧化钛。 铁表面活化j 生物活性研宄 “ 鞋 ! k - n h “一 ”慰疋。一 。 一 w、j a 划、h ， ，一 5 j - t h 籼。_ 一t 、q 。_ - - _ h n _ j t u - “ _ 啪- l - i j ，w - 川溅_ k 。 图2 3 未处理钛( t i ) ，酸碱处理钛( s j t i ) ，酸碱热处理钛( s j r t i ) 的x r d 图 图2 4 碱热处理钛( j r t i ) 酸碱