1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）钛合金抗菌界面的构建学 生：何浩学 号：20116925指导教师：刘鹏 专 业：生物工程重庆大学生物医学工程联合学院二 O 一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing Universityconstruction of Titanium alloy antibacterial interfaceUndergraduate: HeHaoSupervisor: Prof.LiuPeng Major: BioengineeringBioengineering College ofChongqing UniversityJun
2、e 2015重庆大学本科学生毕业设计（论文） 摘要I摘 要钛及其合金材料由于其良好的生物相容性和力学特性广泛用作骨科植入物。然而，钛基植入材料的术后感染已经成为其临床手术失败的一个重要原因。严重的细菌感染染甚至导致重复手术。因此，开发具有长期抗菌功能的钛基植入材料对于其临床成功植入具有重要意义。本文旨在利用层层自组装技术在钛材表面构建含锌离子的涂层，以期改善钛基植入材料的抗菌性能。本文具体包含如下研究内容：1）在钛合金表面通过层层自组装技术对钛材进行表面改性，以阳离子的聚乙烯亚胺作为第一层，然后按明胶/壳聚糖/Zn 离子溶液的顺序铺膜，构建含锌离子的抗菌涂层。抗菌涂层的表面形貌和元素组成通过扫
3、描电镜和 EDS 能谱进行了表征。测定结果表明：本次实验通过层层自组装技术在钛合金表面成功的构建了含锌离子的抗菌涂层。2）在本论文中，金黄色葡萄球菌被用于未处理的钛材和层层自组装技术处理后的钛材的抗菌性能评价。通过抑菌圈实验，抑菌率和耐受性实验考察了材料的抗菌性。实验结果显示：层层自组装技术处理后的钛材表面有效降低了细菌的粘附和生长。本论文研究成果初步表明：层层自组装技术在钛材表面构建含锌离子的抗菌涂层，改善了钛基植入材料的抗菌性能，研究成果为钛及其合金在骨组织修复方面的应用提供了坚实的基础。关键词：钛基材料，层层自组装技术，锌离子，抗菌涂层，金黄色葡萄球菌重庆大学本科学生毕业设计（论文） a
4、bstractIIABSTRACTTitanium and its alloy material due to its good biocompatibility and mechanical properties are widely used as orthopaedic implants. However, postoperative infection of titanium implant material has become the one of the important reasons for the clinical surgery failure. Serious bac
5、terial infection of dye even lead to repeat the operation. Therefore, development with long-term antibacterial function of titanium implant material implant is of great significance to the clinical success. The purpose of this paper is to use layers of self-assembly technology in titanium coating on
6、 the surface building zinc ions in order to improve the antibacterial properties of titanium implant material. The present work contains the following aspects:1. Through layer upon layer on titanium alloy surface self-assembly technology for surface modification of titanium, with cationic polyethyle
7、neimine as the first layer, and then press gelatin/chitosan/zinc ions is the order of the membrane, build antibacterial coating containing zinc ions.Antimicrobial coating surface morphology and elemental composition by scanning electron microscopy (sem) and EDS spectrum characterization. Determinati
8、on results show that this experiment through layer upon layer self-assembly technology in titanium alloy surface and the success of the building containing zinc ions antibacterial coating.2. In this thesis, staphylococcus aureus was used for untreated titanium and layers of self-assembly technology
9、after processing of titanium antibacterial performance evaluation. Through the bacteriostatic circle experiment, antibacterial rate and tolerance experiment investigates the antimicrobial properties of the material. Experimental results show that after processing of titanium surface layers of self-a
10、ssembly technology effectively reduces the adhesion and growth of bacteria.This paper preliminary research results show that the layers of self-assembly technique in titanium surface antibacterial coating containing zinc ions, improved the antibacterial properties of titanium implant material, the r
11、esearch for the application of titanium and its alloys in bone tissue repair provides a solid foundation. Key words： titanium based materials, layer-by-layer self-assembly, Zinc Ion,重庆大学本科学生毕业设计（论文） abstractAntimicrobial coating, Staphylococcus aureus 重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录目录摘 要 .IABSTRACT.II1.1 生物医用钛材
12、的发展现状 .11.2 课题引入 .22 钛合金抗菌涂层的构建 .42.1 简介 .42.2 材料与方法 .52.2.1 材料与设备 .52.2.2 层层自组装构建涂层 .52.2.3 表面特征 .62.2.4 涂层耐腐蚀性能测试 .62.3 结果与讨论 .62.3.1 涂层分析 .72.3.2 结论 .83 改性后钛材的抗菌能力评估 .83.1 简介 .103.2 材料与方法 .113.1.1 材料与设备 .113.1.2 细菌的培养 .123.1.3 细菌电镜样品的制备 .13重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目录I3.2 抗菌性能测试 .133.2.1 抑菌圈实验 .133.2.2 抑菌
13、率实验 .143.2.3 材料耐受性测试 .143.3 结果与讨论 .153.3.1 电镜分析 .153.3.2 抑菌圈实验分析 .153.4 结论 .174 总结 .184.1 全文综述 .184.2 致谢 .19重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论01 绪论1.1 生物医用钛材的发展现状中国是一个拥有 13 亿人口的大国，也是一个骨组织修复材料的需求大国。仅以人工关节为例，据统计我国大约有 1500 万人患有关节疾病，每年人工关节的需求量约为 3040 万支，按平均 20000 元/装置计算，总产值为 6080 亿 1。然而我国临床使用的骨修复植入体/装置大部分依赖于国外进口，因此开发具
14、有自主知识产权的新型骨修复植入体（含人工关节）产品，具有很大的市场潜力，将产生良好的经济效益，同时将会造福于人类健康，带来巨大的社会效益。近年来，随着医疗水平的不断提高，越来越多的病患接受了内固定和人工关节置换手术，各类内外植入材料的使用率日益上升。生物医用材料是用于取代或修复人体原活组织的材料，它可以是天然的或者人造的。近年来，随着人们生活水平的提高，对于生活质量的要求越来越高；越来越多受意外创伤、运动创伤、疑难病症以及需要替换组织的患者接受了内固定和人工关节置换手术，各种生物医用材料的使用率增长迅速。因此生物材料领域在当今社会是备受关注的，它的发展对于人们生活质量的提高具有显著的影响 2。
15、而随着材料学和生物学的研究深入，让我们对生物医用材料有了新的认识。目前,生物医用材料分为金属、高分子、无机非金属或陶瓷、复合材料等。在生物医用金属材料中，主要有不锈钢、钛及钛合金、钴基合金等几大类型。其中钛及钛合金与传统不锈钢材料相比，它具有良好的耐腐蚀性能和组织相容性。伴随着物理、生物、化学等学科的快速发展，尤其在临床生物医用材料不断研发和使用的当下，金属材料已成为医用外植物不可或缺的基本材料。良好的耐腐蚀性能以及优异的综合理化性能，使得多种金属材料运用于临床医学，在众多材料中，钛合金因其优异的理化特性而成为研究的热点。 人类生物医学发展史上最早是运用金属材料来实现机体的创伤修复和矫形治疗。
16、但由于医用不锈钢、钴铬合金在二战初期已开始盛行，钛材料运用于生物医学领域的发展比较滞后。最早将钛作为外植体的案例是将纯钛作为口腔外植体，之后纯钛作为外植体材料得到了广泛发展 3。随后钛合金也开始在临床上被运用作股骨和胫骨替换材料 3。进入 21 世纪后，由于钛合金材料良好的综合理化性能用钛材做成的医疗植入物，被广泛的用于牙科，骨科和心血管领域。伴随着自然科学与生命科学的快速发展，材料科学也得到了蓬勃的发展，尤其是在临床生物医用材料的研发和使用方面。其中对金属材料作为医用外植体的研究已经成为医学治疗中不可或缺的重要分支 4。 通常在钛合金材料植入体后, 钛合金与人体内环境中的无机盐、蛋白质、有机
17、酸和碱金属等长时间接触，机体内某些物质可能会诱导金属腐蚀, 使材料中所含的金属离子溶解出来, 游离的金属离子进入人体组织细胞，影响其中的正常生化反应, 同时, 钛合金腐蚀所产生的物质和电流可能会激活组织, 使人体的物质代谢发生改变 67。另外,虽然正常情况下人体体液呈中性, 但在受伤或组织感染之后, 病变组织周围的 pH 会低至 5 左右, 在钛合金材料植入时，植入材料部位处于酸性环境之中, 钛合金材料会加快腐蚀 8。所以, 当钛合金材料用于心血管系统和血液接触时,应该慎重考虑材料与血液中各成分的相互作用, 以此来提高材料与血液的相容性。这就要求对钛合金材料进行功能需求的表面工程改性技术。重庆
18、大学本科学生毕业设计（论文） 绪论1重庆大学本科学生毕业设计（论文） 绪论2随着表面工程技术不断完善和发展，已经产生了各种不同的表面改性技术,如：电化学处理、化学蚀刻、热处理、离子注入、激光、电子束辐射及各种涂层。这些技术旨在外植物材料表面创造一个均一的,具有一定厚度的涂层,其不仅能作为一个屏障,而且还可以提高材料的生物学性能 9。对钛合金材料进行表面修饰后，涂层与基底结合的牢固性是材料表面改性成功与否的重要指标。通过传统表面工程技术制备的涂层，往往较厚，与基材的结合力差，在钛合金形变过程中，容易脱落，难以达到预期效果。在金属表面改性过程中，往往要包括使用各种160 和 600 之间的各种温度
19、进行(热处理、激光和电子束熔炼、离子注入)处理，通常热处理合金会影响其形状记忆性能和超弹性 9。由于上述处理会使材料表面组成和结构发生变化，导致钛合金植入物中金属离子释放量亦随之显著变化。因此，在对钛合金进行表面进行处理时，应该尽量减少影响，以减少材料的毒性。1.2 课题引入阳极氧化技术是一种新兴的表面改性技术，实现对材料的表面改性相对简单。阳极氧化技术对设备的要求仅仅为简单的电源及冷却系统，不需要真空或者高温、低温控制设备，其处理步骤简单、效率高、处理能力强，此技术作为一种非线性的表面处理技术，可以加工复杂形状的工件10。阳极氧化技术与其它钛合金表面处理方法相比优点明显：1.加工时间短，不会
20、改变基材本身的相结构，保持了基材本身的优异性能；2.可以根据不同的实际需要，选择不同组成的电解液，改变实际工艺参数，调节涂层的表面形状和微观结构。研究发现，化学或电化学方法处理的表面改性技术能提供各种厚度1 m 的涂层，并且涂层在形变过程不易脱落。然而阳极氧化技术作为一种表面改性技术对于材料本身的细胞响应性和骨整合性能的提高，作用十分有限。上世纪 90 年代，Decher11等人提出了基于带正负电荷的聚电解质逐层组装技术制备涂层。层层自组装技术作为一种先进的表面工程技术为生物材料的表面修饰提供了一条新途径。是一种多功能，高效率，容易实现，可处理多种表面的功能化的表面处理技术。层层组装技术操作简单，不受基材尺寸、形状及性质的限制，对于基质表面的化学结构和功能基团没有特殊要求，适合于具有复杂表面形貌的基材；在涂层构建中无需提供外加能量，可以使用各种活性生物大分子（核酸、蛋白质、多肽等）、天然高分子和纳米粒子制作为组装的基本单元，能够对涂层的形貌、厚度、化学性质和模量等进行自由调节；在操作过程中不需要特殊的装置，只要依照特定顺序将基材在两种聚电解质溶液中交替浸泡后，水洗，干燥，即可完成多种功能单元的组装，实现多种物质的层层自组装；层层自组装
