纯钛表面锌离子注入改性的实验研究

【摘要】钛及钛合金作为常用的人工替代材料被广泛的应用于临床外科及牙科。虽然已有很多研究表面钛本身具有良好的机械性能、表面特性及生物相容性[1]，然而未经处理的钛作为一种生物惰性材料并不具有生物活性，易被细菌感染，同时也无法获得抗菌性能。据研究表明，牙种植体周围细菌感染所致的种植体周围炎，最终将导致种植体与周围骨组织结合界面丧失，种植体松动、脱落[2,3]。将钛种植体表面改性使其具有良好的生物相容性并具有一定的抗菌性能，从而促进种植体与周围骨的结合，减少菌斑在钛基种植体上的粘附，对于种植体的远期成功率起了重要作用。近些年，等离子体浸没离子注入与沉积技术作为纳米改性方法已被逐渐应用于生物医用材料表面。另一方面，锌元素作为人体组织器官不可缺少的元素之一，能够增强种植体的固位强度和骨结合能力[4]，同时锌的氧化物（ZnO）具有一定抗菌性能[5]。本实验应用等离子体浸没离子注入与沉积(PIII)技术将锌离子注入纯钛表面，通过对小鼠前成骨细胞和牙龈卟啉单胞菌培养，观察其在离子注入后材料表面的粘附与增殖变化，研究纯钛表面的锌离子改性层对骨细胞及牙龈卟啉单胞菌的影响，为研究同时具有良好生物相容性及抗菌性能的种植体材料提供实验依据。方法1．表面处理1．将TA3商业纯钛加工制作为直径10mm、厚度1mm的圆形钛片，实验组钛片进行锌等离子体浸没离子注入。二．改性层化学组成及物理形貌分析1.改性层化学组成X-射线光电子能谱仪对钛表面进行化学元素组成分析，及分析表面各元素百分比构成。2.改性层表面形貌扫描电镜及原子力显微镜观察对照组及不同实验组钛材料的表面形貌。三．锌离子注入钛表面的抑菌性能1.抑菌实验在材料表面采用直接细菌培养法观察48小时后各组材料表面粘附的牙龈卟啉单胞菌的数量和菌体形态。四．锌离子注入改性的钛材料表面对成骨增殖与粘附的影响1.MTT实验通过MTT细胞毒实验检测实验组材料对成骨细胞增殖的影响；2.扫描电镜利用扫描电镜观察材料表面成骨细胞的粘附及形态；3.吖啶橙荧光染色实验将细胞在材料表面共培养，应用吖啶橙荧光染色法检测细胞粘附和增殖数量。结果一、锌离子注入钛表面改性层的微观分析1．改性层的化学组成经XPS测试分析，与对照组材料相比，实验组表面出现了锌元素的信号，而且随着锌离子注入时间的延长，锌离子的信号也逐渐增强，但钛和氧的信号随之减弱；当锌离子注入时间为90分钟时，材料表面锌离子含量达到最高。2.扫描电镜锌离子注入后，材料表面形成许多分布散在的团粒状物质,随着锌离子注入时间的延长,改性层表面沉积的团粒数量逐渐增多。3.原子力显微镜纯钛表面经锌离子注入后，表面粗糙度随着注入时间的延长而增加，包括平均粗糙度及均方根粗糙度。二、锌离子注入钛表面对牙龈卟啉单胞菌粘附数量和菌体形态的影响锌离子注入后，实验组材料表面牙龈卟啉单胞菌的粘附数量较纯钛组材料表面减少，并且出现了菌体形态的破坏及变异。三、锌离子注入钛表面对成骨细胞粘附与增殖的影响1.MTT实验锌离子注入组材料表面的小鼠前成骨细胞MC3T3-E1的细胞增殖数量明显多于对照组。2．扫描电镜经锌离子注入的实验组钛表面的成骨细胞的粘附面积及数量较对照组表面增多，且细胞具有更好的伸展性。3.吖啶橙荧光染色实验组及对照组材料表面粘附MC3T3-E1的细胞数量均随培养时间的延长而增加；在培养24小时后，锌离子注入组材料表面的细胞数明显多于对照组，具有统计学意义(P<0.05)。结论1.纯钛表面经锌离子注入后，其表面化学元素主要为氧、钛和锌，注入时间为90分钟时，材料表面锌含量最高；在经离子注入后，材料表面形成许多散在的蜂窝状突起及孔隙结构，注入时间为90分钟组的材料表面突起空隙结构最多，分布最均匀；2.纯钛表面经锌离子注入改性后可以不同程度的抑制牙龈卟啉单胞菌的粘附及生长，并可影响其菌体形态，其中注入时间为90分钟组的材料对细菌的抑制作用最强；3.锌离子注入改性的材料对小鼠成骨样细胞MC3T3-E1没有细胞毒性；锌注入改性后的钛表面能够促进MC3T3-E1细胞的粘附与增殖。
【作者】方蛟；
【导师】周延民；
【作者基本信息】吉林大学，口腔临床医学，2014，硕士
【关键词】牙种植体；离子注入；成骨细胞；牙龈卟啉单胞菌；锌；

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