微弧氧化技术制备钛合金抗菌涂层的研究

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钛及钛合金以其杰出的生物相容性、优良的综合生物力学性能和出色的耐腐蚀性能,已成为制造牙种植体等人体硬组织替代物的首选生物材料,目前在临床上广泛应用。在医用钛合金材料的应用中,术后感染仍然是最常见和严重的并发症之一。细菌在生物材料表面的粘附、繁殖并形成细菌生物膜是引发此类并发症的主要原因。钛及钛合金本身并无抑菌功能,因此对其表面改性,赋予其抗菌性能具有十分重要的现实意义。银离子抗菌剂具备广谱高效杀菌能力,无耐药性,毒副作用低;微弧氧化技术可获得生物活性好、综合力学性能优的涂层。两者相结合,可在提高纯钛生物活性的基础上获得有较强结合力的抗菌涂层。为降低生产成本、简化生产工艺,在不改变电解液配方的情况下,实验采用预涂层微弧氧化技术。首先在纯钛样品表面制备预涂层,利用银盐的光分解特性实现银在预涂层中的物理附着,再将其在活性电解液中进行微弧氧化处理,即得到具有较高银含量的活性抗菌涂层。实验分别采用纳米管阳极氧化(NT)和低电压微弧氧化(MA0250)技术制备出两种预涂层,利用SEM和EDS对比分析了两种涂层的形貌和载银量等性能,并进一步评价了由预涂层制备的载银微弧氧化涂层(NT-Ag-MAO和MAO250-Ag-MAO)的微观形貌、Ca/P比、载银量和相组成等,确定了纳米管NT涂层作为预涂层,并确定了合适的载银和微弧氧化处理工艺。同时利用AFM、ICP-AES、XPS、SEM以及自动声信号划痕仪、细胞抗菌实验对载银微弧氧化涂层的表面粗糙度、银离子释放行为、银元素存在状态、膜基结合力和抗菌性能等进行了表征。测试结果显示,纳米管NT涂层具有更高的表面能,在同样条件下的载银量更高,在其基础上制备的NT-Ag-MAO涂层含银量更高,且可通过调节银盐浸泡液浓度和浸泡时间实现对载银量的可控,更适于作为预涂层;预涂层载银处理不影响Ca、P元素进入微弧氧化涂层,Ca、P质量达10wt%左右,涂层具有较高的潜在生物活性;由该预涂层获得的NT-Ag-MAO涂层膜基结合强度与普通微弧氧化涂层相当;对金黄色葡萄球菌的体外抗菌实验显示其具备高效、持久的杀菌能力,60min后抑菌率达到99%,7d后抑菌率仍可达70%以上。实验将预涂层载银处理与微弧氧化技术相结合,通过操作简单、低成本的预处理工艺实现了银在钛合金表面的物理附着,并获得了有较高含银量、较强抗菌能力的含银微弧氧化涂层。此方法与已有方法相比有较大工艺改进,并具备良好的技术可行性,将为在钛及钛合金医疗器械表面制备高效、广谱抗菌涂层提供一种新的思路。
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