论文部分内容阅读
硅灰石、硅酸二钙等钙-硅基陶瓷具有良好的生物活性，在模拟体液中能够诱导类骨磷灰石沉积，采用等离子体喷涂技术制备的钙-硅基涂层与钛合金等金属基体的结合强度较高。但硅灰石和硅酸二钙涂层在生理环境下降解速度过快，会引发周围环境pH升高，不利于细胞生长，同时，过快的降解速度容易导致涂层剥落，影响其长效稳定性。此外，上述钙-硅基涂层材料无抗菌性能。为减小植入体相关感染发生的几率，有必要研制具有抗菌功能的生物活性材料。锌、银是常用的无机抗菌剂，其中银具有高效和广谱抗菌等优点，但过量的银易产生细胞毒性;锌的杀菌功能较温和，且锌是人体骨中重要的微量元素，能够促进成骨细胞分化，刺激新骨生成。本文以锌和银作为抗菌添加剂，制备锌掺杂和锌银共掺杂硅酸钙粉体。探查了改性粉体和等离子体喷涂相应涂层的相组成和微观结构，研究了涂层组分对生物活性、化学稳定性、抗菌性能和细胞相容性的影响，并探讨其相关机制。同时通过动物实验初步研究了锌掺杂硅酸钙涂层的体内相容性和成骨性能。本论文取得的主要结果有:
1.利用溶胶-凝胶法制备三种不同锌掺杂硅酸钙粉体，分别为ZC0.3、ZC0.5和ZC1.0（前驱体溶液中Zn/Ca摩尔比值分别为0.3、0.5和1.0）。ZC0.3粉体由CaSiO3和Ca2ZnSi2O7相组成，ZC0.5粉体为纯相的Ca2ZnSi2O7，ZC1.0粉体相组成为Ca2ZnSi2O7与ZnO。
2.采用等离子体喷涂技术以上述粉体制备涂层。ZC0.3和ZC0.5涂层在模拟体液中均能够诱导类骨磷灰石沉积，表明具有良好的生物活性;ZC1.0涂层未能诱导磷灰石沉积。涂层在Tris-HCl缓冲溶液中的抗降解性能与纯CaSiO3涂层相比有显著的提高，其化学稳定性随着涂层中锌掺杂量的增加而增强。
3.锌掺杂硅酸钙涂层对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性大肠杆菌均具有良好的抗菌效果，其抗菌性能随着涂层中锌含量增加而增强。含锌涂层表面培养的大肠杆菌两头破裂，形状扭曲，细胞壁外膜部分溶解，细菌固有形态的破坏程度随涂层中锌含量增加而增强。含锌涂层表面培养的大肠杆菌内部DiBAC4(3)荧光强度明显高于对照件，表明细菌细胞膜发生去极化现象;随着涂层中锌含量增加，去极化程度增强。ZC0.3涂层表面培养的部分细菌内部出现中心光亮区域和处于压缩态的DNA分子;与ZC0.5涂层作用后的所有细菌内部均出现中心光亮区域，同时该区域内DNA分子部分溶解，说明ZC0.5涂层表面培养的细菌遭受更严重的损伤。
4.锌掺杂硅酸钙涂层浸提液中培养的MC3T3-E1前成骨细胞呈纺锤状，生长旺盛，显示涂层无细胞毒性。细胞粘附实验亦表明，含锌涂层表面MC3T3-E1细胞铺展较好，表现良好的细胞活性。锌掺杂硅酸钙涂层表面MC3T3-E1细胞增殖速率显著高于医用Ti-6Al-4V合金和CaSiO3涂层，随着涂层中锌含量增加，涂层表面细胞数量逐渐增加。与CaSiO3涂层相比，锌掺杂涂层表面的细胞显示更高的碱性磷酸酶、Ⅰ型胶原和骨钙蛋白活性表达。动物实验结果显示，CaSiO3涂层植入体内后，涂层与骨组织界面仍存在纤维组织填塞的间隙，而锌掺杂硅酸钙涂层与骨组织界面无纤维组织层并且骨组织生长良好，表明硅酸钙涂层中锌的掺入能促进材料与骨组织界面骨结合。
5.利用溶胶-凝胶法制备锌银共掺杂硅酸钙粉体ZC0.3-Ag（前驱体溶液中Zn/Ca摩尔比值为0.3，AgNO3质量分数为2％），粉体主要由Ca2ZnSi2O7和少量CaSiO3与金属Ag组成。采用等离子体喷涂技术制备相应涂层。透射显微分析表明银主要以金属银颗粒的形式均匀分布于涂层中。ZC0.3涂层中银的掺入没有影响其在缓冲溶液中的降解速度。ZC0.3-Ag涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的杀菌效果，与ZC0.3涂层相比，杀菌性能显著提高。体外抗菌实验显示，ZC0.3-Ag原始涂层表面(Ra=12.13μm)比机械粗磨后的涂层表面（4.39±0.59μm）能够更有效抑制大肠杆菌的黏附。ZC0.3-Ag涂层最高浓度浸提液对人骨髓干细胞有轻度抑制作用，较低浓度浸提液无细胞毒性。人骨髓干细胞呈扁平状粘附在ZC0.3-Ag涂层表面，并呈现出较多丝状伪足，表明细胞生长良好。