纯钛表面纳米金刚石薄膜涂层的制备及生物性能的研究

发布时间：2017-04-15 12:02

  本文关键词：纯钛表面纳米金刚石薄膜涂层的制备及生物性能的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：背景与目的:随着当今社会经济的快速发展,各个领域都发生了巨大的变化,在口腔修复学领域,牙列缺损和牙列缺失的修复治疗方法,也得到了有效发展。较传统的固定义齿和活动义齿相比,种植义齿作为人类的“第三副牙齿”,具有更好的稳定性,舒适度,不损伤口腔内健康组织等优点,得到口腔医生和患者的强烈认可。目前,口腔种植体材料,应用最多的就是钛或钛合金,该材料具有良好的生物相容性,抗腐蚀性和力学性能而广受关注。但是钛金属仍有一些不足之处,如具有生物惰性,不具有骨诱导能力;会向周围组织中释放金属离子等。因此,纯钛种植体材料表面进行生物、理化改性,提高其生物活性是当前生物植入性材料的研究热点。植入性材料进行生物改性的方法主要是对植入材料表面添加生物活性涂层,改善植入材料的弹性模量,表面的润湿性,表面能等因素,促进骨结合。纳米金刚石(Nanocrystalline Diamond,NCD)薄膜具有良好的耐磨、耐腐蚀性,化学稳定性和生物相容性;可与各种基底面能达到较高的结合强度;纳米颗粒的尺寸效应,具有较高的表面活性;表面的碳元素易于氢,氧,羟基,羧基等基团通过化学键形成稳定的终止表面,可通过物理吸附作用吸附各类蛋白等优势,因此备受关注。本课题采用微波等离子体化学气相沉积(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition,MPCVD)的方法,在商业纯钛表面合成NCD薄膜,实验中通过扫描电子显微镜,X射线衍射,X射线光电子能谱,接触角等技术表征纳米金刚石薄膜的理化性质,粒径大小以及亲疏水性,并对人骨肉瘤细胞MG63细胞进行培养,观察覆盖纳米金刚石薄膜的钛片对细胞粘附增殖及成骨向分化的影响,为研究具有生物活性的植入体材料提供依据。实验与方法:一、NCD薄膜的制备经MPCVD方法在商业纯钛表面制备NCD薄膜,即为氢终端的纳米金刚石薄膜(NCD-h),将上述得到的金刚石薄膜进行热处理后,即得到终端为含氧基团的纳米金刚石薄膜(NCD-o)。二、NCD薄膜理化性能的评估1、利用扫描电子显微镜及光谱仪观察表面形貌及元素含量分析2、利用x射线光电子能谱对金刚石薄膜表面进行元素分析3、X射线衍射对金刚石粒径大小评估4、接触角仪器对材料润湿性检测三、生物性能评估1、CCK-8检测薄膜的细胞毒性2、DAPI染色,观察细胞的粘附情况3、扫描电镜观察细胞的粘附形态4、CCK-8检测细胞的增殖情况5、碱性磷酸酶活力检测结果:一、理化性能检测1、扫描电镜及光谱分析30min组的金刚石颗粒大小均匀,且聚集成核,核与核之间相互连接成膜,薄膜厚度均一一致的覆盖在钛片表面,粒径大小在20-250nm之间;10min组,金刚石粒径大小尚均匀,但核与核之间有间隙,薄膜成形不完善;60min组,金刚石粒径能均匀密实的覆盖在基底表面,但有核-核相互重叠的现象且粒径大小不均,大的晶粒已有几微米甚至十几微米。因此选定30min组作为实验组。光谱分析结果发现,该合成的金刚石薄膜表面的化学元素几乎全部为碳元素,其原子百分数AT%为95.27%,表面尚含有极少量的氧元素。2、X射线光电子能谱氧终端金刚石薄膜组有两个特色性峰,对比元素化学结构表发现两峰代表碳元素与氧元素的信号峰,在氢终端金刚石薄膜组只有较明显的碳元素峰,且峰值对应285ev,与金刚石的峰值相近。因此我们推测,该合成物质为金刚石或类金刚石成分。3、X射线衍射将得到的图像对金刚石峰进行拟合,利用Scherrer公式,计算金刚石薄膜粒径大小约13nm,即该合成金刚石薄膜为纳米级别。4、接触角纯钛片表面接触角为65°,氢终端组薄膜表面的接触角约为125°,氧终端组为38°。即氢终端金刚石薄膜表现为强疏水性,氧终端表现为亲水性。二、生物学性能评估1、CCK-8检测细胞毒性在6h,12h时,NCD-o组,光滑Ti片组细胞的增殖情况与单纯细胞组无明显差异,且均较NCD-h组相对增殖率高。24h之后,NCD-o组表现出明显的促进增殖的优势,较空白对照组相比具有明显的统计学差异。NCD-h与其他组相比较特别是NCD-o组仍处于劣势。根据口腔材料5级毒性评价标准分级评价发现,RGR值均处于0级的标准内,即各组均无细胞毒性,具有良好的生物相容性,说明各组材料均无细胞毒性。2、DAPI染色,观察细胞的粘附情况在铺板后的6小时可以看出,NCD-o组表面明显较光滑钛片组及NCD-h组细胞数量多,且光滑钛片组在6小时组的细胞粘附数量也明显较NCD-h组多。在24小时组,各组细胞均有明显增殖,特别是NCD-o组以及光滑钛片组的细胞数量,但是NCD-o组表面的细胞数量仍然明显较NCD-h组多。3、扫描电镜观察细胞在薄膜表面的粘附形态24h后各组细胞均伸展良好。细胞在NCD-o组的伸展面积明显较NCD-h组大,推测基底的润湿性影响细胞的粘附形态,而光滑组钛片细胞虽然伸展面积较大,但未见细胞丝状伪足伸出,细胞整体仅以片状粘附于基底之上,相比该组,在NCD-o、NCD-h组,细胞均有丝状伪足伸出,且均从细胞膜向四周发散。而NCD-o组与NCD-h组比较,NCD-o组细胞的丝状伪足的数量多且长度较长,甚至可见细胞丝状伪足之间的相互连接,这些均利于细胞牢固的粘附于基底上。4、检测细胞的增殖情况第1天各组之间差异不明显,随着细胞培养时间的延长,在第4天,细胞数量均明显增加,其中NCD-o组较NCD-h组的细胞增殖明显(*P0.05)。而于第7天,NCD-o组细胞增殖情况明显优于NCD-h组,且与光滑Ti片组细胞相比具有统计学意义。5、碱性磷酸酶活力检测在培养第3天,NCD-o组细胞的碱性磷酸酶较单纯细胞组,光滑钛片组以及NCD-h组明显活性较强,随着培养时间延长,各组碱性磷酸酶活性均增强,其中NCD-o组对碱性磷酸酶活性促进作用最明显。结论:1.30min组的纳米金刚石,薄膜均一一致,具有较高纯度,未引入其它杂质元素,粒径大小均匀,为纳米级别大小。2.将氢终端的金刚石薄膜热处理后,得到的氧终端薄膜,具有较强的亲水性,利于细胞的粘附增殖和早期成骨向分化。
【关键词】：微波等离子体化学气相沉积 纳米金刚石薄膜 润湿性 细胞粘附 细胞增殖 细胞分化
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R783.1
【目录】：

• 中文摘要4-8
• Abstract8-15
• 第1章 绪论15-22
• 1.1 引言15
• 1.2 种植体表面纳米改性的研究15-19
• 1.2.1 纳米材料的研究进展15-17
• 1.2.2 种植体常用的纳米改性的方法17-19
• 1.3 纳米金刚石薄膜19-22
• 1.3.1 纳米金刚石的研究背景19-20
• 1.3.2 纳米金刚石薄膜的制备20-22
• 第2章 材料与方法22-30
• 2.1 实验设备与材料22-23
• 2.1.1 主要实验设备22
• 2.1.2 主要实验试剂及材料22-23
• 2.2 实验方法23-30
• 2.2.1 纳米金刚石薄膜的制备23-25
• 2.2.2 金刚石薄膜的理化性能表征25-26
• 2.2.3 生物学性能评估26-29
• 2.2.4 统计学分析29-30
• 第3章 实验结果30-38
• 3.1 纳米金刚石薄膜的理化性能30-33
• 3.1.1 扫描电子显微镜（SEM）及光谱分析30-31
• 3.1.2 XPS31-32
• 3.1.3 XRD32
• 3.1.4 接触角32-33
• 3.2 生物学性能评估33-38
• 3.2.1 细胞毒性实验33-34
• 3.2.2 细胞粘附34
• 3.2.3 扫描电子显微镜下细胞的粘附形态34-36
• 3.2.4 细胞的增殖36
• 3.2.5 碱性磷酸酶（ALP）活性检测36-38
• 第4章 讨论38-42
• 4.1 纳米金刚石的理化性能38-40
• 4.2 材料的生物学性能评估40-42
• 第5章 结论42-43
• 参考文献43-49
• 作者简介及在读期间所取得的科研成果49-50
• 致谢50-51

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7 刘苒;我国金刚石薄膜开发取得重大进展[N];科技日报;2001年

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本文编号：308331