微弧氧化钛表面化学调控构建新颖的生物活性纳米结构材料与抗生素上载及释放规律

本项目采用新颖的化学处理-微弧氧化复合技术在钛表面形成了各种生物活性的纳米材料。首先制备了新颖的含硅钙微弧氧化涂层，之后采用化学处理调控含硅钙微弧氧化涂层的表面组织结构，同时，还将这一技术运用到含磷和含钙磷微弧氧化涂层，形成各种新颖的纳米结构材料。研究了各种纳米材料的组织结构及其调控机制，揭示了各种纳米结构材料的形成过程，并表征了其物理化学性能。体外实验结果表明这些新颖的纳米结构材料具有优异的磷灰石诱导能力和细胞活性，为在钛表面制备生物活性材料提供了新的思路。此外，为了满足植入过程中及时的抗炎治疗，本项目在具有各种纳米材料的生物活性涂层表面引入头孢唑啉钠/壳聚糖复合薄膜。结果表明，药物复合薄膜具有良好的药物缓释能力。本项目的开展促进了化学处理、微弧氧化以及药物涂层技术在生物医学领域的应用，体现了材料学、物理化学、生物医学等多学科的交叉与融汇，具有重要的学术研究和实际工程应用价值。

完全按照项目计划完成了本项目。为了赋予钛及钛合金以生物活性，本项目采用新颖的化学处理-微弧氧化复合技术在钛及钛合金表面形成了各种生物活性的纳米材料。首先制备了新颖的含硅钙(SC)微弧氧化涂层。SC涂层中主要物相为锐钛矿，涂层和基体之间界面结合良好。SC涂层中主要含有Ca、Si、Na、Ti和O元素。随着微弧氧化电压升高，SC涂层表面Ca、Si和Na含量增加，Ti含量降低。随着制备电压增高，SC涂层表面硬度、弹性模量、抗腐蚀性提高，润湿性和表面粗糙度增加。之后采用水热处理调控含硅钙微弧氧化涂层的表面组织结构，水热处理SC涂层表面形成竹叶状、条状、线状TiO2。此外，SC涂层水热处理过程中，涂层中的TiO2会受到OH-离子的攻击，形成HTiO3-离子，引起Ca2+和Na+离子在涂层表面沉积，从而形成钛酸钙和钛酸钠水合物。同时，还将这一技术运用到含磷(PW)和含钙磷(CPW)微弧氧化涂层，形成各种新颖的纳米结构材料。碱处理过程中，涂层中的TiO2相受到碱溶液中OH-离子的攻击形成HTiO3-离子。HTiO3-离子进一步与碱溶液中的Na+离子反应形成钛酸钠水合物，且该水合物交错分布形成多孔网络状形貌。后续热处理(400~700℃)改变了PA涂层的表面形貌，同时钛酸钠水合物出现脱水并晶化形成Na2Ti9O19相。对于碱处理CPW涂层(CPA)(注：A表示碱处理)，HTiO3-离子进一步吸引碱溶液中溶解的Ca2+离子，在涂层表面形成片状钛酸钙水合物，最终CPA涂层表面形成蜂窝状结构。提高碱浓度，有利于钛酸钙水合物形成。CPA涂层经过后续热处理(400~800℃)，涂层表面的钛酸钙水合物也出现脱水并晶化形成CaTi21O38以及CaTiO3，同时表面形貌发生变化。体外实验结果表明这些新颖的纳米结构材料具有优异的磷灰石诱导能力和细胞活性，为在钛表面制备生物活性材料提供了新的思路。SC, PW和CPW涂层经过碱处理以后，磷灰石诱导能力明显提高。原因是SBF浸泡过程中，涂层表面钛酸盐中Ca2+和Na+离子与SBF中的H3O+离子发生离子交换，形成了丰富的Ti-OH功能团，促进了磷灰石的形核生长。此外，为了满足植入过程中及时的抗炎治疗，本项目在生物活性涂层表面引入头孢唑啉钠/壳聚糖复合薄膜。结果表明，药物复合薄膜具有良好的缓释能力。