钛合金表面ZIF-8功能化涂层的制备及其抗菌性研究

来源 :吉林大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuelun2003
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通过3D打印制造的钛合金(Ti6Al4V),由于其机械性能好、生物相容性高、低的模量,同时耐腐蚀性强,非常适合作为金属植入材料的基底。不过钛合金仍存在以下问题:(1)植入体性质改变或在人体液中被腐蚀造成的金属离子扩散,产生毒副作用和植入失败,铝元素会导致骨质溶解和神经紊乱,而钒的生物毒性较大,甚至强于镍和铬。(2)钛没有抗菌性,植入后其表面会吸附粘连蛋白与纤维蛋白,为病原体的粘附创造条件,从而导致种植体感染。(3)生物相容性不足,达不到羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)沉积的条件。基于以上原因,抗腐蚀性与抗菌性的提高对于骨科植入的成功率来说至关重要,同时还要提高其生物相容性。而这些性能可以通过表面改性或者引入相关离子来提高。本论文主要研究3D打印医用钛合金Ti-6Al-4V(TC4)的表面改性与离子掺杂,通过调整水热法参数与引入不同抗菌剂来改变涂层生长模式、亲疏水性、抗菌性以及生物相容性和增强其成骨潜能的作用。具体分为以下两点:(1)将沸石咪唑骨架8(ZIF-8)生长于钛合金表面并进行银离子交换,在提高了涂层抗菌性能的基础同时具有较高的生物相容性。通过材料结构表征,如X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)证明钛合金被ZIF-8和银离子成功改性。使其具有微米和纳米级的表面,粗糙多孔的表面形貌和良好的磷灰石诱导能力。水接触角实验表明,添加ZIF-8大幅度提高了材料的亲水性,为成骨细胞的附着提供了条件。电化学测试得到的极化曲线证明ZIF-8涂层的加入提高了样品的抗腐蚀性。银离子的释放对大肠杆菌有很强的生长抑制作用,并表现出优异的抗菌性能。(第3章)(2)为了进一步提高ZIF-8的亲水性,在ZIF-8粉体的合成过程中加入单宁酸,通过电子显微镜观察其表面呈凹陷状,在宏观上通过水接触角测试测得其亲水性大幅度提高,水接触角从20°(±5°)降低到2°。在晶体生长环节,通过引入抗菌药物庆大霉素来提高复合膜的抗菌性,傅里叶红外光谱仪检测出庆大霉素特征官能团并且通过抑菌环实验可以得出庆大霉素成功与ZIF-8结合,通过热重实验分析,ZIF-8/庆大霉素的复合物分解温度均高于100°C,远高于人体体温,保证了该复合膜在人体内的活性。氮气吸附与生物相容性实验则表明ZIF-8与药物复合膜的微孔结构没有生物毒性且为细胞的增殖提供了良好的环境。(第4章)综上所述,通过调控反应温度、反应液浓度、掺杂抗菌剂种类与合成方式等实现了两种ZIF-8抗菌复合涂层的制备,两种复合涂层都具有良好的抗菌性与生物相容性。本文通过化学腐蚀,水热法对3D打印钛合金进行表面改性。通过在钛合金基底表面生长具有生物活性的ZIF-8涂层与引入抗菌离子来提高植入体的生物相容性,并且获得了良好的抗菌效果,为医用植入材料的表面改性提高了一种可行的方案。
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