ZnO纳米棒/TiO2纳米管复合纳米结构的构建研究

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钛及钛合金因其良好的机械性能、耐磨性能和优异的生物相容性能而作为人工关节和人工牙齿等植入材料备受关注,但钛及钛合金表面自然状态下生成的氧化膜是生物惰性的,植入体后难与组织形成牢固的结合,因此表面改性极为重要。本实验采用阳极氧化法在纯钛表面制备了TiO2纳米管,采用微弧氧化法获得TiO2多孔陶瓷膜,并作为基底电沉积ZnO,成功构建了ZnO纳米棒/TiO2纳米管和ZnO纳米棒/TiO2微米孔槽复合纳米结构薄膜。利用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、亲水性试验、模拟体液浸泡试验和模拟体液中电化学试验等研究了纯钛、TiO2薄膜、ZnO/TiO2复合结构薄膜的形貌、成分和物相组成以及生物活性和耐蚀性。主要结果如下:  采用恒压二次阳极氧化法,在H2O+H3PO4+NH4F+乙二醇体系中,在纯钛表面制备出管结构可控、取向一致、重复性好的TiO2纳米管薄膜,采用阴极电沉积技术在锌盐水溶液中成功制备出垂直基底生长、形貌均一的ZnO纳米棒。结果表明:表面呈亲水性的TiO2纳米管基底有利于六棱柱型ZnO纳米棒的生长;HMT的引入、溶液中饱和的氧浓度及Zn2+浓度的增加、沉积时间的延长均可提高ZnO纳米棒的结晶度和择优生长趋势;沉积电压在1.0V~2.0V范围内均可获得形貌规则的ZnO纳米棒,电压继续增大时,ZnO沿c轴择优生长趋势则消失;同时发现锌源对ZnO的形貌影响较大,当以ZnCl2为锌源时,较高的Zn2+浓度(10mM)会导致六边形ZnO纳米片的生成,归因于高浓度的Cl-阻碍nO的择优生长,Zn(NO3)2·6H2O为锌源时在实验条件下(0.5~10nM)电沉积ZnO均获得ZnO纳米棒。  模拟体液浸泡试验表明TiO2纳米管薄膜和ZnO纳米棒/TiO2纳米管复合薄膜较纯钛具有良好的生物活性;模拟体液中电化学测试试验表明纯钛表面形成TiO2纳米管膜层耐腐蚀性提高,形成ZnO纳米棒/TiO2纳米管复合膜层耐腐蚀性有所降低。  本文也初步探讨了ZnO纳米棒/TiO2微孔(槽)复合结构的制备研究,结果显示:沟槽结构的TiO2陶瓷膜可提供更多的ZnO形核位点,ZnO纳米棒生长的更密集;ZnO纳米棒的棒径随沉积液浓度浓度的增加而增大;随着沉积时间的增加,ZnO形貌由初始的纳米锥逐渐向纳米棒转变,结晶度提高;纯钛微弧氧化处理后表面呈超亲水性,电沉积ZnO后润湿性降低,但仍呈亲水性。
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