类碳薄膜成分结构与生物相容性研究

发布时间：2019-08-14 20:19

【摘要】：人工关节置换术是治疗关节疾病最直接有效的方式。其中,金属对金属人工关节由于具有良好的耐磨性,以及允许使用大尺寸股骨头的特殊优势,非常适合年轻患者和活动量较大的患者。但是,金属对金属人工关节在服役过程中产生的磨屑和金属离子会引起骨溶解和无菌性松动,大大降低关节的使用寿命。因此,大量研究致力于降低金属对金属人工关节的磨损和毒性。类金刚石薄膜是一种具有高硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性的新型材料,将其运用到金属对金属人工关节的表面改性,可以有效降低人工关节的磨损。由于类金刚石薄膜是一系列的无定型碳膜,不同的制备方法和工艺参数对其成分、结构都会有很大的影响,进而影响其生物相容性。因此,本文设计了不同的工艺参数,制备了不同成分和结构的类金刚石薄膜,并探究了这些成分和结构不同的类金刚石薄膜的生物相容性的区别,推进类金刚石薄膜在临床上的应用。类金刚石薄膜的结构和物理性能利用拉曼光谱、接触角测试和原子力显微镜(AFM)表征。利用四探针电阻仪及霍尔效应检测薄膜的电学性质。蛋白吸附试验采用了白蛋白和胎牛血清蛋白两种,评价薄膜对蛋白质的吸附能力。利用巨噬细胞评价炎症反应,并评价了类金刚石薄膜对成骨细胞粘附和生长的影响。探讨了类金刚石薄膜结构和成分的变化对性能的影响,研究了类金刚石薄膜表面物理化学性质及电学性质与生物相容性的关系。结果表明,类金刚石薄膜的结构和成分(氢)对其亲水性、表面能和电学性质都有明显影响,进而影响了表面培养的巨噬细胞和成骨细胞的行为。本文中利用磁过滤阴极真空电弧(FCVA)方法沉积的不含氢类金刚石薄膜(a-C)非常疏水,其表面能较等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积的含氢类金刚石薄膜(a-C：H)稍低,因此,a-C薄膜表面粘附的成骨细胞较a-C：H薄膜表面粘附的成骨细胞少。但是,a-C薄膜SP2键含量较高,为N型半导体,薄膜内部含有较多自由电子,这些自由电子有利于a-C薄膜共价结合蛋白质,因此a-C薄膜表面蛋白吸附量较a-C：H薄膜表面吸附的蛋白质多,且a-C薄膜表面蛋白质的构型和活性得以保持。因此,a-C薄膜表面成骨细胞后期生长活性好,且引起的巨噬细胞激活程度低。通过控制FCVA方法的沉积偏压,制备结构不同的不含氢类金刚石薄膜。脉冲偏压制备的类金刚石薄膜SP2键含量较高,表面能较高,而直流制备的类金刚石薄膜SP3键含量较高,表面能相对较低。成骨细胞实验显示,表面能高的脉冲偏压制备的a-C薄膜表面成骨细胞粘附较多,且由于脉冲偏压制备的类金刚石薄膜表面蛋白粘附更均匀,有利于成骨细胞故增殖,因此其表面成骨细胞活性较直流制备的薄膜表面成骨细胞活性高。为进一步研究氢对类金刚石薄膜生物相容性的影响,对不含氢类金刚石薄膜进行氢等离子体处理。氢的引入增加了不含氢类金刚石薄膜中SP3键含量,表面能降低,不利于成骨细胞粘附,也使成骨细胞的活性变差。综合研究表明,SP3键含量高的类金刚石薄膜生物相容性较SP3键含量低的类金刚石薄膜生物相容性差。类金刚石薄膜中的氢会增加薄膜中SP3键的含量,氢的引入不利于成骨细胞的生长。
【图文】：

结构图,人工关节,结构图

，。逡逑人工关节是模拟人体关节制成的代替病变或损伤的关节并恢复其功能的植入性假逡逑体，包括髓、膝、肩、肘、腕、踩等关节Ｗ。由于髓关节和膝关节承重和摩擦最大，最逡逑容易受到损伤，所Ｗ关节置换一般＾＞１髓关节、膝关节最常见。逡逑英国国家关节登记处的数据显示，２００８年英格兰和威尔±置换人工髓关节和人工逡逑膝关节共１０９８２５例，２００９年共１１４４９７例，２０１０年为１６６０００例，到２０１４年达到了邋２０２５０６逡逑例，，人工关节置换数量逐年增加Ｗ１。美国作为全世界人工关节使用量最大的国家，２００４逡逑年首次人工髓关节置换２３２８５７套，首次人工膝关节置换２３２８５７套，２０１０年人工髓关逡逑节的使用量达到了邋３３２０００套Ｗ。据预计，到２０３０年，美国首次人工髓关节置换将增长逡逑至５７２０００套，人工膝关节需求量将达到３４０００００＾。从这些数据可１＾看出，人工关节逡逑的使用量非常巨大，并且呈现逐年增加的趋势。逡逑１．１人工髓关节逡逑

示意图,杂化,示意图,价电子

类金刚石（ＤＬＣ）薄膜是一系列亚稳态的无定型碳膜，具有硬度高，摩擦系数低逡逑和呈化学惰性等特点，被广泛应用于电子、机械和生物医学等方面。逡逑碳原子之间的结合有ＳＰ３、ＳＰ２和ＳｐｉＨ种杂化方式（图１－２）。ＳＰ３杂化是指碳原逡逑子的四个价电子分别分配到四面体方向的ＳＰ３轨道，形成一个很强的（７键。ＳＰ２杂化则逡逑是指四个价电子中的Ｈ个参与平面Ｈ角形方向的ＳＰ２轨道，在一个平面上形成ＣＩ键，剩逡逑余的一个价电子在与ＣＴ键同一平面的Ｐ７１轨道。Ｓｐｉ是碳原子中两个价电子形成沿着±ｘ逡逑轴方向的0键，另外两个价电子分别进入沿ｙ和Ｚ方向的Ｐｔｉ轨道。逡逑Ｓｐ３逦Ｓｐ２逦ｓｐ１逡逑图１－２邋ＳＰ３、ＳＰ２和ＳｐｉＨ种杂化示意图口６］逡逑金刚石中碳原子全部Ｗ强的ＳＰ３杂化方式结合，所Ｗ金刚石具有最高的原子密度，逡逑最大的模量，最小的热变形系数，Ｗ及宽禁带。石墨中碳原子全部Ｗ邋ＳＰ２杂化方式结逡逑合，形成层状结构，层与层之间范德瓦耳斯力结合。每一层石墨都是零禁带宽度的逡逑半导体。ＤＬＣ中碳原子结合方式既有金刚石的ＳＰ３杂化，也有石墨的ＳＰ２杂化，因此，逡逑ＤＬＣ薄膜的性能介于金刚石和石墨。ＤＬＣ薄膜中的ＳＰ３杂化使ＤＬＣ具有很多与金刚逡逑石类似的性质
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R687;R318.08

【共引文献】