医用钛合金表面Ga-Se-Cu抗菌抗肿瘤涂层的制备及性能研究
批准号:
52061013
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
赵融芳
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
赵融芳
中文摘要
生物活性植入体需具有极佳的成骨性能、显著的抗肿瘤和抗感染能力,因此对钛合金植入体进行表面改性从而赋予其生物活性非常有意义。鉴于Ga和Se具有抗菌和抗肿瘤特性,Cu具有抗菌和促成骨等生物医学功能,本项目拟采用一步微弧氧化法,将Ga、Se和Cu引入钛合金表面含钙磷盐涂层中,构筑兼具良好生物相容性和抗菌、抗肿瘤活性的Ga-Se-Cu涂层。拟研究电解质组成和浓度、电参数对涂层组成和表面结构特性的影响,明确Ga、Se、Cu单元素进入涂层机制。采用正交设计和统计分析,研究工艺参数影响Ga-Se-C涂层性能的主次顺序,清晰Ga、Se和Cu共同进入涂层机制。分析涂层的Ga、Se和Cu体外释放行为,清晰Ga、Se和Cu共同影响涂层生物相容性、抗菌性和抗肿瘤性的规律,明确Ga、Se和Cu之间对涂层性能的协同或拮抗作用。本项目研究成果可为钛合金植入材料表面多组元多功能涂层构筑提供理论基础和技术支持。
英文摘要
It is very meaningful to titanium alloys for orthopedic implants to equip with excellent biocompatibility and remarkable antibacterial and antitumor activity by modifying their surface with biomimetic coating. Considering the antibacterial and antitumor activitis of gallium (Ga) and selinium (Se) and the antibacterial and osteogenesis activity of copper (Cu), multifunctional Ga-Se-Cu-containing coating with excellent biocompatibility, antibacterial and antitumor activity will be fabricated by one-step micro-arc oxidation (MAO) on titanium alloy surface. The influences of Ga, Se and Cu salt concentrations and electric parameters on the composition, surface morphology and topography, biocompatibility, antibacterial and antitumor activity of the Ga-, Se-, and Cu-containing coating will be studied, and the mechanism for incorportating Ga, Se and Cu into the one-component coatings will be clarified respectively. And then, by using orthogonal design and statistic analysis, the mechanism for incorporating Ga, Se and Cu into the Ga-Se-Cu-containing coating and the influence of processing parameters on the properties of the multi-component coatings will be investigated. Combined with the in vitro release behaviors of Ga, Se and Cu from the Ga-Se-Cu-containing coating, the influencing regularity of Ga, Se and Cu on the biocompatibility, antibacterial and antitumor activity of the coating will be revealed, furthermore, the potential synergistic or antagonistic effect of Ga, Se and Cu on the biological performance of the coating will be explored. These results will provide important theoretical foundation and experimental data for the research and development of multifunctional multi-component coating on medical titanium alloys.
医用钛合金表面涂层中引入Se、Ga、Cu、Fe等功能元素,赋予其抗菌、抗肿瘤等生物学性能,符合医疗健康行业更高效、更精准的发展方向,为此,本项目采用微弧氧化法在医用钛合金表面制备Se、Ga、Cu、Fe等元素单一或复合掺杂涂层,研究涂层的制备、组成和结构、性能及其相互影响。.碱性溶液更适于含Ga涂层的制备,因为碱性溶液中Ga3+主要以四羟基合镓离子([Ga(OH)4]-)存在形态,其有利于Ga3+迁移到阳极并以Ga2O3形式沉积到涂层;涂层Ga含量随溶液Ga(NO3)3浓度增大而增加;溶液Na2SO4浓度对涂层Ga含量影响不显著,但Na2SO4存在与否对涂层的成功制备至关重要。.含Se涂层中Se主要以硒单质形式存在,且酸性溶液、适中电压更有利于兼顾涂层Se含量和微观形貌,因为Se-H2O体系pH值增大,硒单质稳定区缩小,SeO32-等还原为硒单质的电极电位减小;Se-H2O体系温度升高,硒单质稳定区缩小,SeO32-稳定区增大。.含植酸根和[EDTA]4-的溶液有利于含Fe、Cu涂层的制备,因为植酸根和[EDTA]4-的强大络合能力可促进溶液中Fe3+、Cu2+顺利迁移到阳极,并最终分别以Fe3O4和Cu2O为主的形式沉积到涂层。.制备Ga、Cu和Se复合涂层时需特别关注溶液电导率和电压等参数,以便兼顾涂层关键元素含量提升和微观形貌优化。含Ga复合涂层中Ga存在形态和形成机制与含Ga一元涂层类似,但Se-Ga复合涂层中Se存在形态和沉积机制则不同于其他含Se涂层。.镓含量为1.62wt.%、5.31wt.%、6.78wt.%和7.66wt.%的涂层对r-BMSCs初期黏附和1-7天细胞增殖良好,即Ga涂层体外生物相容性良好;四种含Ga涂层均对E coli表现出抗菌性且组间差异不明显,Ga含量6.78wt.%涂层的抗菌率超75%。.不同Se、Fe含量复合涂层在PBS中浸泡1-14天的Se、Fe释出浓度为0.23-0.96mg/L和0.012-0.14mg/L,表明涂层中的Se比Fe更易于释出,且释出行为与涂层微观形貌和元素含量相关。该系列复合涂层对r-BMSCs早期黏附和24hr细胞活性良好,对E. coli抗菌率达70%以上。.本项目在医用钛合金表面改性及生物相容性、生物活性提升方面取得了一定的研究成果,可为相关材料的研发和应用提供理论基础和技术支持。
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