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钛金属表面低温沉积晶态二氧化钛薄膜及其体外生物活性

作　者: 张升才
导　师: 李志章；吴进明
学　校: 浙江大学
专　业: 材料学
关键词: 体外生物活性羰基磷灰石模拟人体体液钛金属二氧化钛锐钛矿金红石双氧水低温晶化薄膜
分类号: TB43
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

纯钛及其合金由于相对低的密度、高的耐磨性和抗腐蚀性、卓越的生物相容性及疲劳性能,在外科手术及牙科应用上受到极大关注。为了赋予其生物活性,即使之在植入生物活体后短期内与活骨直接结合,人们已做了很多尝试。方法之一是通过多种技术在其表面生成一层二氧化钛涂层以获得生物活性。二氧化钛的生物活性来源于其表面羟基功能团及表面带的负电。通过适当温度下热处理后从非晶结构的二氧化钛结晶而来的锐钛矿结构可以有效地在SBF（模拟体液,一种用来在体外模拟测试材料生物活性的过饱和磷酸钙无机溶液）中诱发羟基磷灰石（Ca₅（PO₄）₃·OH）的形成。然而,热处理会降低处理后的钛金属表面的羟基功能团,因此,可以预见,如果能在低温条件下处理直接得到晶态二氧化钛层而不需要经过随后的热处理,将会进一步提高其生物活性。本工作开发一种简单、经济、高效的低温（80℃）生物活化技术,无须后续热处理。将钛片在含有3.0 mM ZaCl₅的30 wt.%H₂O₂溶液中于80℃浸泡3 d,或浸泡12 h之内而后在含0.25 M HCl溶液或蒸馏水中浸泡3 d,直接沉积出具有不同比例的锐钛矿与金红石混合结构的晶态二氧化钛薄膜。其低温晶化主要机理为:先形成的非晶二氧化钛凝胶溶解,而后重新结晶沉淀回钛基体表面。另一种可能的低温晶化途径是非晶二氧化钛凝胶的原位结晶。酸性环境及 Ta⁵⁺、Cl^-的存在阻碍了非晶二氧化钛凝胶中TiO₆八面体网络的充分形成,从而有利于金红石的形成。不管低温形成的晶态二氧化钛薄膜是锐钛矿,还是金红石,或者是它们的混合结构,都能有效地在SBF中诱导羟基磷灰石的形核。优秀的生物活性来源于晶态结构,以及低温条件下结晶带来的丰富的Ti-OH功能团。只要金红石含有足够的Ti-OH功能团,它与锐钛矿一样可以在SBF中有效地诱发羟基磷灰石的沉积。详细研究了溶液成分及反应温度的影响。结果表明,6 wt.%的双氧水浓度就足以在低温条件下在钛金属表面直接生成具有良好生物活性的具有锐钛矿与金红石混合结构浙江大学缴硕士学位论文的晶态二氧化钦薄膜。增加双氧水浓度没有明显的效果。处理温度则显著影响处理后钦金属的生物活性。通过不同的双氧水处理处理方法,可以得到表面多孔、无孔及不同厚度的锐钦矿薄膜。多孔表面促进在SBF中轻基磷灰石的沉积。增加薄膜厚度导致裂纹间隙增大,同样能提高体外生物活性。但与锐钦矿薄膜中充足的Ti一OH功能团所起的作用相比,多孔表面的作用并不十分明显。关键词:体外生物活性,轻基磷灰石,模拟人体体液,钦金属,二氧化钦,锐钦矿,金红石,双氧水,低温晶化,薄膜

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章文献综述  9-22
  1．1 引言  9
  1．2 生物活性及其体外模拟实验  9-11
  1．3 钛合金表面生物活化技术  11-15
    1．3．1 生物活性玻璃、陶瓷和玻璃-陶瓷涂层技术  11-13
    1．3．2 钛凝胶涂层技术  13-15
  1．4 论文选题依据及研究内容  15
    1．4．1 问题的提出  15
    1．4．2 主要研究内容  15
  参考文献  15-22
第二章试验方法  22-24
  2．1 试样制备  22
  2．2 双氧水处理  22
  2．3 模拟体液浸泡  22-23
  2．4 测试分析  23-24
第三章钛金属表面晶态二氧化钛的低温制备  24-41
  3．1 简介  24
  3．2 实验结果  24-33
  3．3 讨论  33-36
    3．3．1 低温结晶机制  33-35
    3．3．2 锐钛矿与金红石的共沉积  35-36
  3．4 小结  36-37
  参考文献  37-41
第四章低温制备二氧化钛的体外生物活性  41-50
  4．1 简介  41
  4．2 实验结果  41-45
  4．3 讨论  45-48
  4．4 结论  48
  参考文献  48-50
第五章溶液组成对低温生物活化处理的影响  50-56
  5．1 简介  50
  5．2 试验  50-51
    5．2．1 双氧水浓度的影响  50
    5．2．2 处理温度的影响  50-51
  5．3 结果与讨论  51-54
    5．3．1 双氧水浓度的影响  51-52
    5．3．2 处理温度的影响  52-54
  5．4 结论  54-55
  参考文献  55-56
第六章表面形态与薄膜厚度的影响  56-66
  6．1 简介  56
  6．2 试验  56-57
  6．3 结果及讨论  57-64
  6．4 结论  64
  参考文献  64-66
第七章结论  66-67
致谢  67-68
硕士期间发表论文  68

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