多巴胺肝素功能化tc4钛合金表面及其生物相容性研究
医用钛合金由于其优异的力学性能和良好的耐腐蚀性能等优点，已经成为骨科器材的主要材料。但是钛合金的抗凝血性能不足，大大限制了其在血管内介入医疗器械或材料方面的应用。本课题采用表面原位化学反应手段，聚多巴胺作为连接剂，在材料表面制备了多巴胺/肝素功能化的钛材表面，以获得具有良好抗凝血性能的钛基生物材料。本研究结果表明扫描电子显微镜（SEM）观察分析显示有白色的物质粘附在材料的表面；红外光谱仪分析涂层组成显示多巴胺/肝素已经接枝在材料表面；接触角测量显示，表面改性后的钛合金亲水明显提高；血小板粘附实验表明，接枝多巴胺/肝素后材料的对血小板粘附能力降低进而提高了钛基种植体与宿主的生物相容性。关键词 钛合金，生物相容性，多巴胺，肝素
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 钛合金表面改性技术 2
1.3 多巴胺及肝素简介及研究现状 3
1.4 钛合金多巴胺/肝素表面改性的现状 6
1.5 本课题研究的目的和意义 7
2 实验 7
2.1 实验试剂及仪器 7
2.2 实验步骤 8
2.3 样品的表征 10
3 结果与讨论 12
3.1 扫描电子显微镜（SEM）观察 12
3.2 红外光谱分析 13
3.3 接触角的测量 15
3.4 生物相容性分析 16
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
近几年，伴随着生物技术空前迅速的发展以及生活质量水平的进步和提高，医用生物材料已成为人们关注、学者研究的热门领域，这些都促使了人类对生物医用材料的需求。生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替代其他的病损组织、器官，或提高其功能的材料[1]。但其中金属生物医用材料虽然历史源远流长，是人类出现以来最早使用的生物医用材料之一，但其发展进程还是相对比较迟钝的；金属材料它具备其他材料无可超越的高机械强度以及优良抗疲劳性能这两个优点，目前它还是医疗临床上应用最 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
广泛的能承受载荷力的体内植入物。
20世纪60年代，由于瑞典科学家Branemark[2]将钛合金做成的牙齿植入到口腔中，钛合金便结束了单一作为航天材料的历史,开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用。研究钛合金是因为与其他生物医用金属材料和合金材料相比较，它主要具有以下几个优点[3]：
无毒副作用、不致癌、不致畸、不诱发变态反应等；
具有良好的耐腐蚀性，
适宜的力学性能，纯钛强度适中，硬度较低。
由于钛合金拥有诸多优点，近年来在临床上的应用变得越来越广泛,极大地促进了钛合金的研究和发展。但钛及其合金也存在一些缺点，限定了它的应用：
（1）拥有较低的耐磨损性能。与不锈钢、镍基合金等许多其他金属材料相比， 钛合金的摩擦系数大，耐磨性能差[4]。
（2）有待进一步提高耐腐蚀性能。影响到其生物相容性其中一个重要因素就是耐腐蚀性能。当钛合金植入人体后，由于人体环境的复杂性，在外力和体液的腐蚀下，表面钝化膜有可能被剥离、溶解，使得材料的抗腐蚀性能降低。另外，溶解出的物质有可能伤害人体，形成诸多不良后果[4]。
（3）生物活性尚不理想。钛合金是一种生物惰性材料，其结构和性质与骨组织相差很大, 通常不能像生物活性材料那样与宿主骨形成化学键性结合。
由于上述等原因，不能满足临床上的所有要求，因此为了使钛在临床上的应用更加广泛的话，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，就出现许多钛种植体表面改性处理方法，来提高钛合金的表面生物相容性。利用聚多巴胺作为连接剂，在材料表面制备了多巴胺/肝素功能化的钛材表面，从而获得既具有良好抗凝血性能又能促进骨整合的钛基生物材料。
1.2 钛合金表面改性技术
现今，在钛合金材料表面固定与人体内物质相同或相近的生物大分子，构建具有生物功能表面，以便提高材料的生物相容性，已经成为当今研究材料表面改性的热点之一[5]。现今由于技术的成熟，可将表面改性的方法可以分为三类：机械方法，物理方法以及化学方法。
1.2.1 机械表面改性
机械表面改性方法包括机械表面加工和机械表面处理。机械表面加工是利用各种机加工的方法来保证零件所需的尺寸，形状，精度以及特性。机械表面处理主要用喷丸处理和光亮化处理来改变的材料表面的形态以及粗糙度。
1.2.2 物理表面改性
低温等离子体表面改性：等离子体通常是指气体经电离产生的大量的带电粒子和激发态的中性粒子所组成的，由于它总是正负电荷数相同，所以称为等离子体[6]。通常情况下，等离子表面工程采用的是低温等离子体，因为其具有以下特点：（1）良好的可靠性，重现性，非线性以及低成本；（2）易于产生活性成分；（3）可对材料进行消毒处理；（4）工艺简单，操作方便，无污染等等。低温等离子体表面改性方法主要包括等离子体溅射，等离子体注入，等离子体聚合，等离子体接枝，等离子体喷涂。
激光表面处理：激光表面处理是一种最为先进的钛表面改性技术，它主要是利用激光的高辐射量度、高方向性、高单色性、高方向性特点，对钛合金材料表面进行处理[7]。因为激光束经聚焦后，能在焦点附近产生几千度或上万度的高温，可以显著改善材料的表面性能，例如硬度、强度、耐磨性和耐蚀性。激光表面改性加工的激光束嫩与材料相互作用，具有一下突出的优点：能量密度十分高、可以进行非接触式的加热、拥有较小的热影响区、工艺可以便于控制、能实现计算机控制等[7]。
1.2.3 化学表面改性
溶胶凝胶法：溶胶凝胶法就是将金属有机物或无机物等含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法[7]。这种方法的特点是纯度高，均匀度好，可以有效的控制薄膜成分，低温易操作，工艺设备简单等。使用溶胶凝胶法来制备薄膜的方法有很多，一般情况下主要采用的方法包括浸渍法，转盘法，喷涂法。
电化学方法：电化学方法是对生物医用材料进行表面处理的一种常见的方法，主要分为电化学抛光，电化学沉积，电泳沉积以及阳极氧化法。电化学抛光与机械抛光相比，电化学抛光的材料的表面没有划痕，并且不会发生变形，能过很好的显露出金属的本色。
化学气相沉积：化学气相沉积是利用气体物质与固体材料的表面进行化学反应，从而在材料的表面形成一层固体沉积相的方法[7]。其特点是设备简单，操作方便，与材料结合牢固，能够沉积各种形状，不同大小的材料。
酸碱热处理法：酸碱热处理即先进行酸碱处理，其处理的机理与碱处理的机理相似；首先用酸腐蚀钛基材料，在其表面形成微米级别的空洞，其目的是增加钛材的比表面及相应的表面能，这样就能减少对碱在浓度和处理时间上的要求。然后在经过高温处理的表面粗化的方法。其工艺设备简单，容易操作。
1.3 多巴胺及肝素简介及研究现状
1.3.1 多巴胺及肝素简介
多巴胺的化学名称为4(2氨基乙基)1,2苯二酚，化学式为C8H11NO2（见图1）。多巴胺是一种神经传导物质，主要存活在下丘脑和脑垂体腺中。它能够让人兴奋，传递开心的信息并且让人忘记恐惧，但是过多的多巴胺会让人上瘾。
图1.多巴胺（左）和肝素（右）
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 钛合金表面改性技术 2
1.3 多巴胺及肝素简介及研究现状 3
1.4 钛合金多巴胺/肝素表面改性的现状 6
1.5 本课题研究的目的和意义 7
2 实验 7
2.1 实验试剂及仪器 7
2.2 实验步骤 8
2.3 样品的表征 10
3 结果与讨论 12
3.1 扫描电子显微镜（SEM）观察 12
3.2 红外光谱分析 13
3.3 接触角的测量 15
3.4 生物相容性分析 16
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
近几年，伴随着生物技术空前迅速的发展以及生活质量水平的进步和提高，医用生物材料已成为人们关注、学者研究的热门领域，这些都促使了人类对生物医用材料的需求。生物医用材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替代其他的病损组织、器官，或提高其功能的材料[1]。但其中金属生物医用材料虽然历史源远流长，是人类出现以来最早使用的生物医用材料之一，但其发展进程还是相对比较迟钝的；金属材料它具备其他材料无可超越的高机械强度以及优良抗疲劳性能这两个优点，目前它还是医疗临床上应用最 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
广泛的能承受载荷力的体内植入物。
20世纪60年代，由于瑞典科学家Branemark[2]将钛合金做成的牙齿植入到口腔中，钛合金便结束了单一作为航天材料的历史,开始在生物医用材料领域得到广泛的发展和应用。研究钛合金是因为与其他生物医用金属材料和合金材料相比较，它主要具有以下几个优点[3]：
无毒副作用、不致癌、不致畸、不诱发变态反应等；
具有良好的耐腐蚀性，
适宜的力学性能，纯钛强度适中，硬度较低。
由于钛合金拥有诸多优点，近年来在临床上的应用变得越来越广泛,极大地促进了钛合金的研究和发展。但钛及其合金也存在一些缺点，限定了它的应用：
（1）拥有较低的耐磨损性能。与不锈钢、镍基合金等许多其他金属材料相比， 钛合金的摩擦系数大，耐磨性能差[4]。
（2）有待进一步提高耐腐蚀性能。影响到其生物相容性其中一个重要因素就是耐腐蚀性能。当钛合金植入人体后，由于人体环境的复杂性，在外力和体液的腐蚀下，表面钝化膜有可能被剥离、溶解，使得材料的抗腐蚀性能降低。另外，溶解出的物质有可能伤害人体，形成诸多不良后果[4]。
（3）生物活性尚不理想。钛合金是一种生物惰性材料，其结构和性质与骨组织相差很大, 通常不能像生物活性材料那样与宿主骨形成化学键性结合。
由于上述等原因，不能满足临床上的所有要求，因此为了使钛在临床上的应用更加广泛的话，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，就出现许多钛种植体表面改性处理方法，来提高钛合金的表面生物相容性。利用聚多巴胺作为连接剂，在材料表面制备了多巴胺/肝素功能化的钛材表面，从而获得既具有良好抗凝血性能又能促进骨整合的钛基生物材料。
1.2 钛合金表面改性技术
现今，在钛合金材料表面固定与人体内物质相同或相近的生物大分子，构建具有生物功能表面，以便提高材料的生物相容性，已经成为当今研究材料表面改性的热点之一[5]。现今由于技术的成熟，可将表面改性的方法可以分为三类：机械方法，物理方法以及化学方法。
1.2.1 机械表面改性
机械表面改性方法包括机械表面加工和机械表面处理。机械表面加工是利用各种机加工的方法来保证零件所需的尺寸，形状，精度以及特性。机械表面处理主要用喷丸处理和光亮化处理来改变的材料表面的形态以及粗糙度。
1.2.2 物理表面改性
低温等离子体表面改性：等离子体通常是指气体经电离产生的大量的带电粒子和激发态的中性粒子所组成的，由于它总是正负电荷数相同，所以称为等离子体[6]。通常情况下，等离子表面工程采用的是低温等离子体，因为其具有以下特点：（1）良好的可靠性，重现性，非线性以及低成本；（2）易于产生活性成分；（3）可对材料进行消毒处理；（4）工艺简单，操作方便，无污染等等。低温等离子体表面改性方法主要包括等离子体溅射，等离子体注入，等离子体聚合，等离子体接枝，等离子体喷涂。
激光表面处理：激光表面处理是一种最为先进的钛表面改性技术，它主要是利用激光的高辐射量度、高方向性、高单色性、高方向性特点，对钛合金材料表面进行处理[7]。因为激光束经聚焦后，能在焦点附近产生几千度或上万度的高温，可以显著改善材料的表面性能，例如硬度、强度、耐磨性和耐蚀性。激光表面改性加工的激光束嫩与材料相互作用，具有一下突出的优点：能量密度十分高、可以进行非接触式的加热、拥有较小的热影响区、工艺可以便于控制、能实现计算机控制等[7]。
1.2.3 化学表面改性
溶胶凝胶法：溶胶凝胶法就是将金属有机物或无机物等含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法[7]。这种方法的特点是纯度高，均匀度好，可以有效的控制薄膜成分，低温易操作，工艺设备简单等。使用溶胶凝胶法来制备薄膜的方法有很多，一般情况下主要采用的方法包括浸渍法，转盘法，喷涂法。
电化学方法：电化学方法是对生物医用材料进行表面处理的一种常见的方法，主要分为电化学抛光，电化学沉积，电泳沉积以及阳极氧化法。电化学抛光与机械抛光相比，电化学抛光的材料的表面没有划痕，并且不会发生变形，能过很好的显露出金属的本色。
化学气相沉积：化学气相沉积是利用气体物质与固体材料的表面进行化学反应，从而在材料的表面形成一层固体沉积相的方法[7]。其特点是设备简单，操作方便，与材料结合牢固，能够沉积各种形状，不同大小的材料。
酸碱热处理法：酸碱热处理即先进行酸碱处理，其处理的机理与碱处理的机理相似；首先用酸腐蚀钛基材料，在其表面形成微米级别的空洞，其目的是增加钛材的比表面及相应的表面能，这样就能减少对碱在浓度和处理时间上的要求。然后在经过高温处理的表面粗化的方法。其工艺设备简单，容易操作。
1.3 多巴胺及肝素简介及研究现状
1.3.1 多巴胺及肝素简介
多巴胺的化学名称为4(2氨基乙基)1,2苯二酚，化学式为C8H11NO2（见图1）。多巴胺是一种神经传导物质，主要存活在下丘脑和脑垂体腺中。它能够让人兴奋，传递开心的信息并且让人忘记恐惧，但是过多的多巴胺会让人上瘾。
图1.多巴胺（左）和肝素（右）
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