119 / 2021-04-02 17:14:21

研究Ag/Ta按比例共注入TiN对医用Ti-6Al-4V合金的生物性能及抗菌性能的影响

等离子体浸没离子注入；Ta/Ag离子按比例双注入；抗腐蚀性；成骨的增强；抗菌性能

钽(Ta)作为一种理想的新型移植材料，具有优异的耐腐蚀性、细胞相容性、低细菌黏附性、高亲水性和高摩擦系数，可以刺激成骨细胞粘附、增殖和分化，对人体组织无刺激、无毒等优点。但其高弹性模量和高密度(186 GPa，16.6g/cm³)远高于天然骨，限制了大块Ta在临床上的应用。Ti-6Al-4V是医学领域公认的人工骨替代材料，与其他常用的医用金属材料相比，钛合金的弹性模量与人骨的弹性模量相近，而且具有优异的性能，可以很容易加工成各种形状。因此，在Ti-6Al-4V上应用Ta薄膜作为表面涂层，以获得具有良好耐腐蚀和生物相容性的人工骨置换材料。理想的骨替代材料应具有良好的细胞相容性和抗菌性能。虽然Ta具有良好的细胞相容性，但其抗菌作用尚不清楚。考虑到Ta的抗菌性能尚不明确，故本文采用复合离子注入的方法，希望改性后的Ta膜不仅具有良好的生物相容性，而且具有优良的抗菌性能。银(Ag)作为一种常用的抗菌剂，已广泛应用于提高植入物的抗菌性。Ag具有长期抗菌性能，低耐药性和低毒性，能在极低浓度下杀灭细菌。由于Ag纳米颗粒体积小，流动性高，它们可以进入哺乳动物细胞，与细菌细胞膜相互作用，破坏细胞膜，最终导致细菌死亡。因此，Ag是提高Ta薄膜抗菌性能的首选复合离子注入元素。Ti-6Al-4V在人体中易析出有毒离子铝（Al）和钒（V），故本文采用直流磁控溅射在Ti-6Al-4V上沉积一层TiN来阻止有毒离子的析出，再利用等离子体浸没离子注入系统（PIII）将Ag和Ta以不同比例共注入到含有TiN涂层的钛合金中。通过接触角、蛋白质吸附、离子沉淀、耐腐蚀、细胞增殖和初步抗菌实验，探索了Ag与Ta的最佳配比，使Ta材料价值最大化。结果表明，Ag/Ta-TiN样品的耐蚀性、细胞相容性和初始抗菌活性均优于TiN。这是因为Ta离子具有优良的耐腐蚀性能和促进细胞分化和粘附的作用。Ag/Ta- TiN样品中Ta含量越高，耐腐蚀性能越好，细胞粘附和增殖能力越强。同时，Ag具有优良的抗菌性能，这将对大肠杆菌膜的结构造成更大的破坏，样品的抗菌性能也与其Ag含量成正比。由此可见，合理调节Ag/Ta共注入比例可有效提高Ag/Ta- TiN的抗腐蚀性能、细胞相容性和抗菌活性。总的来说，所得结果有利于钛合金的骨科应用。