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钛合金表面微纳结构设计制造及其生物活性研究

门博  
【摘要】:生物医用钛合金因具有良好的物理力学性能,是目前应用最广泛的植入体材料。但钛合金表面具有生物惰性,导致植入体与周围组织结合速度慢、结合不够牢固,因此,改进钛合金植入体与人体的结合能力成为植入体应用中的关键问题。钛合金表面形貌影响到植入体与人体组织的结合,本文针对钛合金表面微纳结构的设计制造及其生物活性进行了系统研究。基于仿生理论研究了植入体表面微纳结构的尺度范围。通过对天然骨的表面结构进行表征发现:天然骨表面具有微凹坑和微沟槽等不规则结构,微凹坑直径50-200μm、深度30~50μm,微沟槽的宽度10~100μmm,组成骨的无机物颗粒尺寸则为纳米级。因此所设计的表面微凹坑直径为100μ,m,间距300gm,同时确定了纳米级结构尺度范围为1-100nm。研究了钛合金表面微米级微坑阵列结构的构建方法。分析了激光加工钛合金表面的影响参数,通过激光加工实验得到Q频率和电流与微凹坑形貌、深度的关系,确定表面微结构激光加工的优化参数为电流13A,Q频率3KHz。研究了多重酸蚀构建纳米尺度结构的方法。研究表明酸蚀不仅可将激光加工产生的熔渣完全去除,还可以在微米级阵列基础上生成纳米尺度结构,获得微纳复合结构表面。并通过超景深显微镜系统、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)和能谱分析(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)等对表面进行表征及分析。研究了钛合金微纳结构表面的生物活性。通过模拟体液浸泡和细胞培养实验评价了多种表面的生物活性。发现激光加工加酸蚀处理获得的微纳结构表面有利于细胞的黏附和增殖,细胞铺展良好,伸出大量的丝状伪足与材料表面紧紧贴附,说明微纳复合结构表面具有较高的生物活性。


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