多孔钛铌合金表面具有微/纳级次结构暴露高能晶面TiO2活化层的构建及其生物活性

Titanium and titanium alloys have wide application in clinical intervention therapy due to their excellent comprehensive mechanical properties and biocompatibility. However, the bioactivities of titanium and titanium alloys are very low. Thus, construction of active coatings on their surface to promote the chemical bonding between osteoblastic tissue and implant is critical for the successful clinical applications. Deposition of hydroxyapatite coating on the surface of titanium by plasma spray technology is the most common method to improve the bioactivity. However, the coating prepared by this method is easy cracked, dissolved and eventually invalidated caused by the stress. To solve this problem, a hydrothermal method will be used to construct TiO2 active film on the porous TiNb alloy substrate, by which a transition layer with high-energy facets, rich in OH groups and possessing high adhesive strength is expected to be obtained. This project will investigate the influences of hydrothermal conditions and phase microstructures of alloys on the growth of TiO2 film. The formation mechanism of TiO2 film with exposed high-energy facets and special morphology will be illustrated. In addition, effects of morphologies and microstructures on the bioactivities of Nb-doped TiO2 film will be explored, and the action mechanism for inducing hydroxyapatite will be clarified. It is hopeful that reliable theory and experimental basis can be provided by implementation of this project, which has a great scientific importance.

钛和钛合金因具有优良的综合力学性能和生物相容性在临床介入治疗上具有广阔的应用前景。但钛及其合金表面生物活性不高，在其表面构筑活性涂层以促进骨组织与植入体形成化学键性结合是钛种植体在临床得到成功应用的关键。针对传统喷涂羟基磷灰石活性涂层由于应力存在引起的开裂、溶解而导致植入失败的问题，本项目拟从仿生设计的多孔钛铌合金出发，采用水热技术在其表面原位构筑与基体结合牢固、暴露高能晶面、富含羟基的Nb掺杂型TiO2活性薄膜过渡层，以期获得高活性的生物材料和表面生物改性新方法。将系统研究水热条件和合金相结构等对TiO2 薄膜生长过程的影响，阐明这种具有特殊形貌暴露高能晶面TiO2 薄膜的自组装机理，探索薄膜的形貌、微结构对生物活性的影响规律，揭示此种Nb掺杂型TiO2 薄膜诱导羟基磷灰石生长的作用机制。本项目的实施可望为钛植入体的临床成功应用提供可靠的理论依据和实验参考，具有重要的科学价值和现实意义。

钛和钛合金因具有优良的综合力学性能和生物相容性在临床介入治疗上具有广阔的应用前景。但钛及合金表面生物活性不高，在其表面构筑活性涂层以促进骨组织与植入体形成化学键性结合是钛种植体在临床得到成功应用的关键。本项目从仿生设计的多孔钛铌合金出发，采用水热技术、微波合成技术、热压技术等在其表面原位构筑与基体结合牢固、暴露高能晶面、富含羟基的活性薄膜过渡层，以期获得高活性的生物材料和表面生物改性新方法。主要研究内容包括了基于钛合金的多孔纳米结构的构筑、高表面活性的晶体结构的构筑、表征及生物特性的研究等。经过四年时间的研究和努力，我们先后在钛合金表面上制备出Ta、Si、P、Zn等元素掺杂的二氧化钛过渡层、MnCo2O4.5、Co3O4、CaP以及金属有机框架多孔晶体结构等薄膜结构等，较为系统的研究了这些薄膜结构、组织、物理化学性能等。这些结构与TiO2的结构具有密切的关系。一方面围绕这些薄膜成核-生长机理和催化（生物效应、吸附效应）相关的构-效关系，我们开展了详细的研究工作；另一方面，以这些薄膜为基础，我们获得了多孔钛等金属表面合成过渡层薄膜制备晶体结构生长新方法，并对金属多孔与薄膜复合材料的性质做了细致研究；在金属-有机晶体结构的生物探针性能等方面也取得了重要的进展。这些研究对基于钛合金多孔结构表面制备纳米薄膜、晶体结构的合成机理、结构调控和生物、催化等性能的应用均具有重要的意义。

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