内植体表面微结构改性实验研究
在内植体表面构建具抗菌功能的微结构是当前热门的研究方向：通过各种改性方法在内植体表面构建抗菌微结构，使抗菌物质稳定存在并持续提供抗菌效果。电火花沉积技术是基于电火花加工的一项表面改性技术，具有加工方法简单、加工后沉积层稳定、适应各种复杂表面等特点。利用电火花沉积加工后沉积层稳定的特点在以钛合金为基底材料的内植体表面构建以银作为抗菌物质的微结构。改性后的微槽表面上，沉积的银作为具有抗菌功能的微结构在内植体表面提供持续的抗菌性能。本研究通过在内植体微槽表面构建抗菌微结构的方式提升内植体的抗菌性能。 通过ANSYS温度场仿真对单次电火花放电的温度场分析。建立TC4与银电极丝在单次放电时的温度场模型，对温度场分布、中心点温度变化规律进行理论分析。计算仿真条件下电极与工件的熔池大小，计算银沉积物的体积，试验结果与仿真结果存在较小的误差。在对应仿真的参数条件下进行电火花沉积的加工实例研究，探究电火花沉积的加工工艺的规律。生成银沉积物的体积大小与加工中电压、脉宽成正比。银电极丝的直径作为制约银沉积物大小的因数，在增大到0.3mm后不再起到制约的作用。 设计正弦波微槽，利用电火花沉积对正弦波微槽表面进行抗菌改性。研究不同加工参数对电火花沉积中微槽表面银沉积的情况。对加工后的改性微槽表面物相与化学成分进行分析，加工后微槽表面的银沉积物以银单质为主，有少量的氧化银。观察微槽表面形貌分析不同参数下电火花沉积改性对微槽表面形貌粗糙度、润湿性能的影响。改性微槽相比未改性微槽相比，粗糙度有所上升。银丝直径、脉宽、加工时间对改性槽表面的粗糙度影响更大。改性后的微槽表面比改性前有更好的液体接触能力，即改性微槽具有良好的体内环境的亲和能力，有利于植入部位的细胞的黏附与增值。 进行生物相容性实验评价抗菌改性微槽的生物相容性。通过模拟体液浸泡实验，观察羟基磷灰石在改性微槽表面沉积的情况，评价不同参数下加工的改性微槽表面的生物相容性。润湿性能好（即表面液体接触角小）的表面更有利于羟基磷灰石的沉积；表面粗糙度较大的表面不利于羟基磷灰石的沉积。进行Ag+浸出实验评价改性微槽的持续抗菌性能：经过电火花沉积抗菌改性的微槽具有在长时间生物体液内释放Ag+达到抗菌效果的能力。可以通过改变加工的参数调整样品上银沉积的含量以及后续银水解产生的Ag+浓度，调整改性微槽的抗菌能力。经过抗菌改性的微槽表面不具备接触杀菌能力。经过抗菌改性的微槽需要在具有体液的环境下，与水接触产生水解形成Ag+离子以达到抗菌的效果。进行实际的抗细菌黏附试验，评价改性微槽对细菌黏附的抵抗能力。结合不同参数下改性微槽表面表面形貌建立微槽表面微结构与对应功能的联系：小尺寸银沉积物的改性微槽表面具有良好的抗细菌黏附能力，具有大尺寸银沉积物的改性微槽表面的抗细菌黏附能力反而下降。 实验证明通过合适的参数控制电火花沉积产生的银沉积物的大小可以制备具有良好抗细菌黏附的内植体表面，同时具有良好的生物相容性能。
内植体;微槽表面;电火花沉积加工;钛合金;抗菌性能
广东工业大学
硕士
机械工程
郭钟宁
2021
中文
R318.08;TG484
2021-10-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）