氧化锆基锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石增韧复合涂层的性能研究

作     者：代钊 

作者单位：中国人民解放军海军军医大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汪大林

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石 氧化锆增韧 等离子喷涂 力学性能 促成骨性能 

摘      要：研究目的通过水热法制备锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石(Sr/Si/F trace-doped hydroxyapatite,DHA),使三种元素的质量分数与天然骨磷灰石中的含量保持一致。通过等离子喷涂法在氧化锆(zirconia,ZrO)基材上制备DHA涂层和锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石氧化锆增韧复合涂层(zirconia reinforced Sr/Si/F trace-doped hydroxyapatite coating,ZrO-DHA),并对涂层组分进行表征、对涂层力学性能和体外生物性能进行研究。通过对实验结果的分析比较,讨论DHA涂层促进成骨性能的机制,探索ZrO-DHA涂层性能变化规律与氧化锆比例的关系以及有潜力的涂层组分比例。通过本课题的研究,为涂层法表面改性氧化锆种植体的应用提供新证据。研究方法实验一锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石氧化锆增韧复合涂层的制备与表征。以Ca(OH)和Ca(HPO)·HO为原料,以SrO、SiO和CaF为微量元素引入剂,通过水热法合成HA和DHA,使三种元素在DHA中的质量分数与天然骨磷灰石保持一致。通过喷雾造粒法制备热喷涂粉待用,其中,DHA和ZrO分别按照质量比为7:3/5:5/3:7混合均匀后造粒。ZrO基材经刚玉粉喷砂增加表面粗糙度,然后按照预设喷涂参数制备HA/DHA涂层和三种不同比例的ZrO-DHA涂层(按照DHA为70%、50%和30%的比例分别记为7DHA、5DHA和3DHA)。通过扫描电镜观察涂层表面和内部显微结构,通过X射线衍射仪和傅里叶变换红外光谱仪检测粉体和涂层的物相组成。实验二锶、硅、氟微量掺杂羟基磷灰石氧化锆增韧复合涂层的力学性能研究和体外生物学性能研究。通过维氏硬度计和万能试验机检测DHA涂层和ZrO-DHA涂层的显微硬度和结合强度。体外生物学性能研究包括:(1)抑菌实验,涂板培养法检测不同涂层对大肠杆菌和经黄色葡萄球菌的抑制生长性能;(2)细胞活力实验,MTT法检测不同涂层对小鼠成骨前体细胞的活力影响和毒性分级;(3)细胞黏附实验,DAPI荧光染色法计数不同涂层在小鼠成骨前体细胞种板后的不同时间点时黏附的细胞数量,评估涂层对小鼠成骨前体细胞黏附性能的影响;(4)细胞成骨分化实验,分别通过PNPP法和茜素红染色法检测细胞接种后不同时间的碱性磷酸酶相对活性和矿化效应,评估涂层对小鼠成骨前体细胞成骨分化的影响;(5)细胞成骨分化机制实验,实时荧光定量PCR法检测不同涂层在小鼠成骨前体细胞种板后的不同时间点时,成骨分化相关基因Alp、Col-Ⅰ的相对表达量,从机制角度评估涂层对小鼠成骨前体细胞成骨分化的影响。研究结果实验一扫描电镜可见典型的等离子喷涂涂层表面形貌;元素分布检测可见,无论涂层平面或截面,DHA和氧化锆均相互交错和包绕,呈三维网状结构。XRD和FTIR检测证明DHA粉体符合纯相HA的特征。三组ZrO-DHA涂层的XRD结果提示,DHA和ZrO的XRD衍射峰明显可见,且氧化锆特征峰随其含量增加而增强。实验二力学性能部分,ZrO-DHA涂层的硬度和结合强度随ZrO含量的增加而增大,其中,DHA、7DHA、5DHA和3DHA的硬度分别为250.80±18.89kgf/mm、320.10±22.51kgf/mm、418.40±17.25kgf/mm和526.20±23.65kgf/mm,结合强度分别为25.10±2.65Mpa、31.80±2.85Mpa、39.4±2.27Mpa、46.20±4.23Mpa;涂层拉伸断面分析可观察到,在基材-涂层界面、涂层内部及涂层-胶水界面均出现失效,故涂层结合失效模式而为混合型。体外生物学性能部分,抑菌实验提示,相对于ZrO基材,DHA和ZrO-DHA涂层不同程度地抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长;其中,DHA涂层对两种细菌的抑菌率分别是比HA涂层高出29.76%和30.23%,7DHA涂层相应参数则比HA涂层高出22.62%和25.91%。MTT实验提示DHA涂层和ZrO-DHA涂层毒性评级为0级,而相对于ZrO基材,DHA涂层和ZrO-DHA涂层可不同程度地促进成骨细胞活力,其中DHA涂层和7DHA涂层相对于ZrO基材的相对增殖度分别为116.2%和111.3%。细胞黏附实验中,小鼠成骨前体细胞对DHA涂层和ZrO-DHA涂层的黏附,均优于ZrO基材。ALP活性实验和茜素红染色实验结果与上述结果类似,其中,DHA和7DHA涂层性能优于HA涂层。基因表达实验从机制上解释和验证了上述实验的结果:在细胞培养的第7天,Alp和Col-Ⅰ在DHA涂层上的表达是ZrO基材的3.34倍和3.11倍,DHA和7DHA涂层的相对基因表达量则明显高于纯HA涂层。研究结论本研究通过等离子喷涂法在氧化锆基材上制备了的DHA涂层和ZrO-DH