钛及其合金具有良好的生物相容性、耐腐蚀性和机械性能,因此被广泛用作生物医学植入物。然而,钛植入物也面临着有毒离子释放(如Al3+和V4+)、细菌感染和骨融合不良等挑战。为了克服这些缺点,人们开发了各种表面改性技术来改善钛植入物的生物学性能。磁控溅射制备复合膜是一种很有前景的材料表面改性方法,它能结合不同材料的优点,实现协同作用。本研究旨在探讨Ta(Cu)-O 复合膜对医用级钛合金成骨细胞增殖和抗菌性能的影响。由于磁控溅射法具有沉积速度快、密度高的优点,本研究采用磁控溅射法在钛合金(Ti-6Al-4V)上制备了三组 Ta(Cu)-O薄膜样品(Ta(Cu10.82)-O;Ta(Cu5.68)-O;Ta(Cu3.43)-O)。随后,对它们的形态、成分、耐腐蚀性、亲水性和离子释放特性进行了分析评估。通过体外成骨细胞增殖实验和大肠杆菌(E. coli)抗菌活性测试,选出了细胞相容性和抗菌活性的最佳 Cu-Ta 比值。
实验结果表明, Ta(Cu)-O复合膜在抑制Al和V对有毒离子的释放方面具有较好的性能,并具有较高的硬度和弹性模量。 其中,Ta(Cu3.43)-O样品具有较好的亲水性、增强的耐腐蚀性,以及最佳的细胞增殖、粘附和扩散能力。这可以归因于钽的存在,钽是促进细胞粘附和增殖的关键因素。另一方面,Ta(Cu10.82)-O样品的抗菌性能最好,铜含量越高,抑菌效果越明显。然而,三组样品的抑菌率均超过97%。
研究成果的科学意义和应用前景:(1)提高医用钛合金材料的生物相容性:医用钛合金是常用的植入材料,但其生物相容性仍然存在一些问题。研究Ta(Cu)-O复合膜对医用钛合金的影响可以改善其生物相容性,减少植入后的排斥反应和炎症反应,有助于提高材料的耐用性。(2)促进骨组织再生及提高植入体抗菌性:通过研究成骨细胞在Ta(Cu)-O复合膜上的增殖情况,评估该复合膜对骨组织再生的促进作用。该复合膜能够促进骨细胞增殖和骨组织的生成,有望用于骨折修复、人工关节置换等骨科领域。同时发现Ta(Cu)-O复合膜具有抗菌性,可以有效抑制细菌的生长,(3)提高医疗器械的耐磨性和机械性能:研究表明,Ta(Cu)-O复合膜可以改善医用钛合金的性能,包括硬度、抗磨性和耐腐蚀性等。这对于制造更耐用的医疗器械,如人工关节、牙科种植体等,具有重要价值。
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