明胶壳聚糖自组装改性钛合金表面及其生物相容性研究
钛合金（TC4）具有优异的力学性能和良好的耐蚀性，但因其表面惰性导致骨整合性较差，限制了它在临床上的应用和发展。因此，通过对钛合金表面进行改性处理来提高它的骨整合性。本课题拟以钛合金为基材，同时引入壳聚糖、明胶，用自组装法构建明胶/壳聚糖复合多层膜，考察其结构与性能。本研究结果表明场发射环境扫描电子显微镜（SEM）观察显示成功构建了结合性较好的明胶与壳聚糖共混膜；红外光谱仪（FTIR）检测表明明胶与壳聚糖共混膜在钛合金表面构建成功；接触角测量分析显示构建明胶/壳聚糖涂层后的钛合金亲水明显提高；血小板粘附实验也表明明胶/壳聚糖改性后的钛合金表面对血小板粘附能力降低，从而提高了抗凝血性能，并提高了钛合金表面与植入体间的生物相容性。关键词 明胶，壳聚糖，改性，生物相容性
目录
1 绪论 1
1.1 钛合金表面改性的研究背景及意义 1
1.2 钛合金表面改性的研究现状 1
1.3 明胶/壳聚糖自组装改性钛合金表面的优势 4
1.4 本课题研究的目的及意义 6
2 实验 6
2.1 实验试剂及仪器 6
2.2 实验步骤 7
2.3 样品的表征 8
3 结果与讨论 11
3.1 扫描电子显微镜（SEM） 11
3.2 红外光谱表征 13
3.3 接触角的测量 14
3.4 血小板粘附的检测 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 钛合金表面改性的研究背景及意义
近年来，钛及其合金已经成为医用金属材料的首选。因其具有较好的力学性能和较高的耐蚀性，已经成为骨、关节和牙根等人体硬组织替代和修复常用的医用材料之一。但因为其生物惰性使得钛合金与植入部位的整合性较差，易与周围宿主骨组织分离而发生松动，以至于植入失败，其己经成为钛合金临床应用中的关键问题。目前，对钛合金进行生物化学改性以赋予其更优异的生物学性能己成为促进骨整合、缩短种植周期及提高种植成功率的一种有效途径。通过引入壳聚糖/明胶，用自组装的方法构来建明胶/壳聚糖 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
复合多层膜，从而改变钛合金的表面性能。是当今医用领域钛合金的研究方向之一。
目前研究和医疗上使用较为频繁的金属生物医用材料主要有钴合金、纯钛及其合金、不锈钢、镁合金、医用贵金属等。之所以这些金属生物医用材料在生物相容性、耐腐蚀性能和力学性能上有非常严格要求，因为它们植入人体后是处于生理环境当中的，使它所处的复杂环境和动态反应系统很难用实验的方法体现。
钛及其合金作为医用材料有许多优良的特性[12]：(1)无毒副作用、不致癌、不致畸、不诱发变态反应等；(2)它的密度很小，比热也很小，加热容易，冷却也容易；(3)钛的弹性模量在90GPa左右，和骨组织近似；(4)因其表面致密的氧化膜能抵抗电解质腐蚀，所以具有较好的耐蚀性；(5)无磁性、低热导率等。但钛合金也有不足之处[3]，由于钛金属是生物惰性材料，如果直接植入到人体的话，还存在一些现实的问题，例如植入体内的时间过长、骨结合的强度降低、游离金属离子对人体组织的潜在影响等。
随着钛及其合金材料在生物医用方面的优势发展，这就要求我们研究出能与生物骨有很好相容性的钛种植体，就出现许多钛合金表面改性的方法，如明胶/壳聚糖自组装改性钛合金表面。
1.2 钛合金表面改性的研究现状
作为生物材料，将钛合金植入人体中会在植入的初期生成一层纤维。并且在植入后期钛合金和骨组织只是以机械嵌合的方式整合。这就导致植入后钛合金容易发生松动、脱落[4]。通过分析研究结果和进行实际应用表明，为了改善骨整合、减短种植周期和提高种植成功率，对钛合金表面进行改性从而有效的克服其生物惰性使之与骨组织之间拥有较好的生物相容性是非常必要的。钛合金表面改性技术可分为三种：物理化学、形态学及生物化学方法。
1.2.1 物理化学方法
改善金属材料表面性能通常首选物理化学方法，通常有离子注入法、激光熔覆法、酸蚀处理法、碱热处理法、溶胶凝胶法、微弧氧化法。
1.2.1.1 离子注入法
在钛合金表面上进行离子注入能改善钛合金的表面性能，例如提高耐磨和耐蚀性，并且可以减少离子释放、提高其生物活性等[5]。
1.2.1.2 激光熔覆法
激光熔覆法的优点是提高基体表明的耐磨、耐蚀性能，缺点是较难控制涂层的均匀性和稳定性[6]。
1.2.1.3 酸蚀处理法
把钛合金放入硫酸、盐酸或氢氟酸等不同的酸溶液中进行一定时间的蚀刻后，不仅可以彻底清洁钛合金表面的油污等杂质，而且可形成一层表面氧化膜，并与钛形成离子键。酸蚀后的钛合金表面亲水性极强[7]。
1.2.1.4 碱热处理法
其机理主要是将钛合金在一定温度下浸泡在氢氧化钠等碱液中，一段时间后
就可以在钛合金表面形成一层钛酸钠凝胶，再经水热处理后将其转变成锐钛矿型
的Ti02层，该层呈均匀多孔的网状结构，不仅与钛合金结合紧密而且可以增加其的化学稳定性，利于磷灰石的沉积。此方法过程简单，不需要特殊的设备[89]。
1.2.1.5 溶胶凝胶法
先将涂层制成溶胶，然后将其均匀涂覆在基体表面，通过溶剂的挥发与缩聚反应使其凝胶化。这种方法具有制备温度低，涂层纯度和均质均较高的优点，但它也有不足之处：较长的生产周期，较高的成本，易变形等[10]。
1.2.1.6 微弧氧化法
在普通阳极氧化前提下，通过弧光放电来激活发生在阳极上的反应，从而可直接在钛及其合金表面原位生长出一层致密的并且和基体具有良好结合力的Ti02氧化膜而明显改善金属的耐磨性和耐腐蚀性。此外，根据不同的电解液，可以通过不同离子的引入来起到改性的作用[11]。
1.2.2 形态学方法
形态学工艺能在不减损材料生物相容性的基础上，提高结合强度。形态学方法非常简单有效。等离子喷涂是一种非常典型的形态学方法，其他还有超音振荡等。
1.2.2.1等离子喷涂
等离子喷涂可对钛合金进行局部涂层，并能控制涂层的特性。例如气孔率，化学成分和表面形貌等。其具有较多的优点，例如高的生产效率、均匀的涂层、较好的重复性以及适合工业化生产等，但该方法还有一些缺点：设备较昂贵，不适合喷涂多孔金属表面，涂层与基体的粘结强度较低，其长期稳定性较差等[12]。
1.2.3 生物化学方法
通过将高分子物质导入基体的表面，使基体拥有较好的生物活性，并且获得更加明显、更加有效的特点。
Thawatchai 等发现在电磁活性和热力学性质方面，明胶与其他电磁材料相比具有较大的优势。这表明在支架材料的选择和在制作人工肌肉的材料选择上，明胶是较好的考虑对象[13]。近几年来，在生物医学领域明胶的使用是非常多的。单一的胶原或者与其它材料复合构成的新型的复合材料可用于止血、骨移植替代材料以及胃，组织工程等领域。
目录
1 绪论 1
1.1 钛合金表面改性的研究背景及意义 1
1.2 钛合金表面改性的研究现状 1
1.3 明胶/壳聚糖自组装改性钛合金表面的优势 4
1.4 本课题研究的目的及意义 6
2 实验 6
2.1 实验试剂及仪器 6
2.2 实验步骤 7
2.3 样品的表征 8
3 结果与讨论 11
3.1 扫描电子显微镜（SEM） 11
3.2 红外光谱表征 13
3.3 接触角的测量 14
3.4 血小板粘附的检测 15
结 论 17
致 谢 18
参 考 文 献 19
1 绪论
1.1 钛合金表面改性的研究背景及意义
近年来，钛及其合金已经成为医用金属材料的首选。因其具有较好的力学性能和较高的耐蚀性，已经成为骨、关节和牙根等人体硬组织替代和修复常用的医用材料之一。但因为其生物惰性使得钛合金与植入部位的整合性较差，易与周围宿主骨组织分离而发生松动，以至于植入失败，其己经成为钛合金临床应用中的关键问题。目前，对钛合金进行生物化学改性以赋予其更优异的生物学性能己成为促进骨整合、缩短种植周期及提高种植成功率的一种有效途径。通过引入壳聚糖/明胶，用自组装的方法构来建明胶/壳聚糖 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
复合多层膜，从而改变钛合金的表面性能。是当今医用领域钛合金的研究方向之一。
目前研究和医疗上使用较为频繁的金属生物医用材料主要有钴合金、纯钛及其合金、不锈钢、镁合金、医用贵金属等。之所以这些金属生物医用材料在生物相容性、耐腐蚀性能和力学性能上有非常严格要求，因为它们植入人体后是处于生理环境当中的，使它所处的复杂环境和动态反应系统很难用实验的方法体现。
钛及其合金作为医用材料有许多优良的特性[12]：(1)无毒副作用、不致癌、不致畸、不诱发变态反应等；(2)它的密度很小，比热也很小，加热容易，冷却也容易；(3)钛的弹性模量在90GPa左右，和骨组织近似；(4)因其表面致密的氧化膜能抵抗电解质腐蚀，所以具有较好的耐蚀性；(5)无磁性、低热导率等。但钛合金也有不足之处[3]，由于钛金属是生物惰性材料，如果直接植入到人体的话，还存在一些现实的问题，例如植入体内的时间过长、骨结合的强度降低、游离金属离子对人体组织的潜在影响等。
随着钛及其合金材料在生物医用方面的优势发展，这就要求我们研究出能与生物骨有很好相容性的钛种植体，就出现许多钛合金表面改性的方法，如明胶/壳聚糖自组装改性钛合金表面。
1.2 钛合金表面改性的研究现状
作为生物材料，将钛合金植入人体中会在植入的初期生成一层纤维。并且在植入后期钛合金和骨组织只是以机械嵌合的方式整合。这就导致植入后钛合金容易发生松动、脱落[4]。通过分析研究结果和进行实际应用表明，为了改善骨整合、减短种植周期和提高种植成功率，对钛合金表面进行改性从而有效的克服其生物惰性使之与骨组织之间拥有较好的生物相容性是非常必要的。钛合金表面改性技术可分为三种：物理化学、形态学及生物化学方法。
1.2.1 物理化学方法
改善金属材料表面性能通常首选物理化学方法，通常有离子注入法、激光熔覆法、酸蚀处理法、碱热处理法、溶胶凝胶法、微弧氧化法。
1.2.1.1 离子注入法
在钛合金表面上进行离子注入能改善钛合金的表面性能，例如提高耐磨和耐蚀性，并且可以减少离子释放、提高其生物活性等[5]。
1.2.1.2 激光熔覆法
激光熔覆法的优点是提高基体表明的耐磨、耐蚀性能，缺点是较难控制涂层的均匀性和稳定性[6]。
1.2.1.3 酸蚀处理法
把钛合金放入硫酸、盐酸或氢氟酸等不同的酸溶液中进行一定时间的蚀刻后，不仅可以彻底清洁钛合金表面的油污等杂质，而且可形成一层表面氧化膜，并与钛形成离子键。酸蚀后的钛合金表面亲水性极强[7]。
1.2.1.4 碱热处理法
其机理主要是将钛合金在一定温度下浸泡在氢氧化钠等碱液中，一段时间后
就可以在钛合金表面形成一层钛酸钠凝胶，再经水热处理后将其转变成锐钛矿型
的Ti02层，该层呈均匀多孔的网状结构，不仅与钛合金结合紧密而且可以增加其的化学稳定性，利于磷灰石的沉积。此方法过程简单，不需要特殊的设备[89]。
1.2.1.5 溶胶凝胶法
先将涂层制成溶胶，然后将其均匀涂覆在基体表面，通过溶剂的挥发与缩聚反应使其凝胶化。这种方法具有制备温度低，涂层纯度和均质均较高的优点，但它也有不足之处：较长的生产周期，较高的成本，易变形等[10]。
1.2.1.6 微弧氧化法
在普通阳极氧化前提下，通过弧光放电来激活发生在阳极上的反应，从而可直接在钛及其合金表面原位生长出一层致密的并且和基体具有良好结合力的Ti02氧化膜而明显改善金属的耐磨性和耐腐蚀性。此外，根据不同的电解液，可以通过不同离子的引入来起到改性的作用[11]。
1.2.2 形态学方法
形态学工艺能在不减损材料生物相容性的基础上，提高结合强度。形态学方法非常简单有效。等离子喷涂是一种非常典型的形态学方法，其他还有超音振荡等。
1.2.2.1等离子喷涂
等离子喷涂可对钛合金进行局部涂层，并能控制涂层的特性。例如气孔率，化学成分和表面形貌等。其具有较多的优点，例如高的生产效率、均匀的涂层、较好的重复性以及适合工业化生产等，但该方法还有一些缺点：设备较昂贵，不适合喷涂多孔金属表面，涂层与基体的粘结强度较低，其长期稳定性较差等[12]。
1.2.3 生物化学方法
通过将高分子物质导入基体的表面，使基体拥有较好的生物活性，并且获得更加明显、更加有效的特点。
Thawatchai 等发现在电磁活性和热力学性质方面，明胶与其他电磁材料相比具有较大的优势。这表明在支架材料的选择和在制作人工肌肉的材料选择上，明胶是较好的考虑对象[13]。近几年来，在生物医学领域明胶的使用是非常多的。单一的胶原或者与其它材料复合构成的新型的复合材料可用于止血、骨移植替代材料以及胃，组织工程等领域。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/305.html
