钛合金表面纳米化、功能化和抗菌性能的研究

The nano-structures will be produced on titanium alloys by anodic oxidation. Some functional groups such as Ca, P, -OH and collagen will be physically or chemically assembled on the nano-surface to obtain good bioactivity and biocompatibility. Silver is also assembled on the modified titanium surface by electrostatic absorption to obtain antibacterial property. The biological and antibacterial properties of the titanium alloys before and after surface modification will be examined by simulated body fluid (SBF) soaking test, cell culture test, bacterial counting method and animal test. During the experiments, the mechanism of surface modification by anodic oxidation will be detected, so that the formation of nano-structures on titanium alloys can be controlled. The interaction among nano-structures and functional groups, bacterias, cells and tissues will be analyzed. Considering the influence of silver on surface structure, composition and biological properties, the models for silver loading and releasing processes will also be created. It is an original project to assemble functional groups and antibacterial on anodic oxidation modified titanium alloys, which may provide the prospect of forming new types of medical implants with good biological and antibacterial properties.

本项目拟通过阳极氧化法在医用钛合金表面构建纳米结构，然后采用物理和化学方法将钙、磷、羟基和胶原等生物友好离子和基团装载到纳米结构中，使钛合金表面具有良好的生物活性和生物相容性，并将抗菌剂银静电吸附到材料表面提高其抗菌性。通过模拟体液浸泡实验、细胞培养实验、细菌培养实验和动物实验对表面改性前后钛合金的生物学性能和抗菌性进行系统评价，研究阳极氧化法在钛合金表面加工纳米结构的机理和控制工艺；探索材料表面的纳米结构、功能基团与细菌、细胞及组织间的相互作用过程与机制；考察载银过程对表面结构、组成和生物学性能的影响；并对银离子的装载和释放过程建立相关模型。采用阳极氧化法在钛合金表面构建纳米结构，并装载生物友好的功能基团和抗菌剂以提高其生物学性能和抗菌性能是一项全新的课题，具有创新性，可为制备新型抗菌植入体材料提供科学依据，亦有望形成自主的知识产权。

钛是目前应用最为广泛的生物医用植入体材料，但其生物学性能不足，限制了临床应用。在植入体表面制备纳米结构和嫁接功能基团是改善和优化钛生物学性能的有效途径。本项目采用阳极氧化技术在钛表面分别制备了有序的纳米孔、纳米管、纳米孔/纳米管、微米/纳米复合等多种结构。结构的尺寸受阳极氧化的电压和时间影响：氧化电压增加，结构的尺寸增大；氧化时间延长，尺寸先增加，然后趋于稳定。结构的形貌受电解液种类和氧化电压影响：无机电解液所得形貌的规整度低于有机电解液；电解液成分变化，钛表面可制得孔、管、坑、沟槽等多种形貌；氧化电压较低时，表面为纳米结构，随着电压和处理时间的增加，可形成尺寸较大的坑、沟槽等结构。表面结构化的过程使得其表面粗糙度和亲水性提高，其中亲水性对改善材料的生物学性能有重要影响。体内体外生物学性能检测实验表明，亲水性高的植入体，其生物活性和生物相容性均较好，植入大鼠腿骨后，愈合速度加快，与骨组织的结合强度提高。表面纳米化过程有利于表面功能化的进行，此外借助于矿化沉积和原位合成的方法，均可将钙磷相有效、可控的引入到钛表面，通过硫酸浸泡和紫外光照射也在钛表面生成一定量的羟基，通过羟基与胶原的接枝反应，可进一步控制胶原在钛表面的装载，抗菌剂银也可通过阳极氧化过程原位引入到钛表面，且银颗粒分布均匀，释放速率合理，抗菌性明显。体内体外的生物学性能检测实验表明，钛表面引入的钙磷相、羟基、胶原均有利于提高钛的生物活性、生物相容性，可提高钛植入体与骨组织的结合强度，加速骨组织的愈合和长期稳定性。本项研究通过在材料表面构建纳米结构和嫁接功能基团，使得钛植入体的生物学性能和抗菌性能获得改善，为制备新型医用钛植入体提供了科学依据。