二元金属离子注入医用钛表面结构及性能研究

生物活性不良及抗菌性缺乏是钛植入体植入失效的两个主要原因。本课题组前期研究发现单元Ag离子注入可在钛表面形成纳米结构并有效改善钛的抗菌性，单元Mg和Ca注入可赋予钛一定的生物活性，但单元金属离子注入也会降低钛的耐腐蚀性。本研究拟通过Ag/Mg和Ag/Ca二元离子注入，获得兼具生物活性和抗菌性的钛植入体材料，并探讨二元离子注入医用钛表面纳米化过程和机制。同时利用不同金属之间的标准电极电位差异，提出构建Ag与Mg(或Ca)的"微电池"以"屏蔽"钛基体反应的设想，并最终获得抗菌性、生物活性和耐腐蚀性优良的钛植入体材料。本项目拟开展的主要研究工作有：(1) 探查Ag/Mg和Ag/Ca二元离子注入钛表面纳米化过程和机制；(2) Ag/Mg和Ag/Ca二元离子注入钛表面耐腐蚀性控制机制研究；(3) Ag/Mg和Ag/Ca二元离子注入钛表面生物活性和抗菌性及其共存规律探索。

应用金属等离子体浸没离子注入技术（M PIII），在纯钛及等离子喷涂氧化钛涂层表面进行银注入及银与镁(或钙)二元注入，探查了注入表面的相组成及微观结构，探讨了银注入及银与镁(或钙)二元注入表面的抗菌路径，初步评估了相关表面的细胞相容性。获得了以下主要结果：(1) Ag PIII处理可在等离子喷涂氧化钛涂层表面镶嵌银纳米颗粒，且纳米颗粒以多重孪晶结构形式存在于涂层表面，这些银纳米颗粒的形成过程符合经典形核理论预测；基于Ag PIII非视线注入的特点，通过调控其浸没式原子加热(ASH)效应, 可在一定程度上控制银纳米颗粒的形核及长大过程，获得尺寸、分布可调的纳米化氧化钛表面；镶嵌有银纳米颗粒的氧化钛表面抗菌性(金黄色葡萄球菌)优异且细胞(MG63)相容性较好。(2) Ag PIII处理可在钛表面及近表面制得镶嵌式银纳米颗粒；银纳米颗粒最初以等轴晶形式在钛表面析出，当钛表面银注入量达到一定临界值时，这些等轴晶粒将被进一步分割为多个小的区域；银纳米颗粒与钛基体间可形成“微电池”腐蚀对，其腐蚀效率受银纳米颗粒数量及生理溶液中导电离子的迁移效率影响；Ag PIII钛表面具有良好的抗菌性及细胞相容性；Ag PIII钛表面良好的抗菌性及细胞相容性与“微电池”腐蚀效应有关。(3) 将 Mg PIII (或Ca PIII) 与Ag PIII进行适当复合，可将镁(或钙)与银共同引入钛表面； Mg PIII (或Ca PIII)处理的样品表面，除镁(或钙) 除单质存在形式外，还可以与银(或钛)的固溶(或合金)相的形式存在；此外，由于镁(或钙)具有较高反应活性，样品暴露于空气中较长时间，表面还将出现MgO、CaO、CaCO3成分；Mg PIII (或Ca PIII) 与Ag PIII复合处理表面比Ag PIII单独处理表面细胞相容性好；虽然Mg PIII (或Ca PIII或Ag PIII)单独处理表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的增殖均有一定抑制效果，但是Mg PIII (或Ca PIII) 与Ag PIII复合处理钛表面对上述细菌抑制效果最为显著。