激光熔覆La3+可控析出Ca-P陶瓷涂层及其对破骨细胞活性的抑制作用

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本文利用激光熔覆技术,在医用钛合金表面 Ti6Al4V 表面制备了掺杂稀土氧化物La2O3的梯度Ca-P陶瓷涂层,期望通过控制La2O3的掺杂量,改变涂层的组织结构以及物相组成,进而达到涂层中La3+可控析出的目的,同时利用可控析出的La3+实现对破骨细胞数量的控制,为防治人工关节磨屑病提供一种可行的方法。通过金相显微镜,显微硬度仪,扫描电子显微镜,能谱仪,X 射线衍射仪,倒置荧光显微镜,MTT 分析等对涂层与基体的结合,涂层的显微硬度,涂层表面形貌及物相组成的变化,涂层的毒性进行了研究,同时采用等离子质谱仪对涂层中La3+的析出规律以及La3+浓度与破骨细胞生成数量的关系进行了研究。在研究的过程中针对涂层的一些不足,进行了一定的改进,通过掺杂一定量的SiO2,优化了涂层对破骨细胞生成数量的抑制作用。以上研究获得的具体结论如下:  (1)当 La2O3的掺杂量为 0.6 wt.%时,涂层与基体的结合处不存在横向裂纹,涂层与基体的结合最好。涂层中纵向宽裂纹和孔洞的数量也最少,同时涂层中仍然存在的微小裂纹可以为新骨的快速生长提供有利条件。对涂层显微硬度检测结果表明:当La2O3的掺杂量为0.6 wt.%时,涂层拥有最高的平均硬度。  (2)涂层中主要含有HA,TCP,CaTiO3,TiO等物相。当La2O3的掺杂量为0.4~0.6 wt.%时,涂层中的HA+TCP含量较高。得益于HA+TCP的高含量,掺杂La2O3量为0.4~0.6 wt.%的涂层表面,成骨细胞MG63的增殖和活性较好,涂层表面可以观察到数量最多且活性较好的细胞,细胞在涂层表面分布均匀,并紧紧贴附于涂层表面,涂层对细胞没有毒性。  (3)Ca-P陶瓷涂层在模拟体液(SBF)中,随着TCP的不断降解,涂层表面出现蜂窝状结构,同时涂层表面部分区域沉积产生碳酸化磷灰石。对不同 La2O3含量陶瓷涂层在SBF中 La3+释放规律研究发现,涂层中的 La3+的析出浓度随时间的延长都呈现先增大后逐渐减少的趋势。由于掺杂0.6 wt.% La2O3的Ca-P陶瓷涂层中几乎不存在宽大的裂纹,优良的结构使该组涂层中La3+析出浓度的下降较为平稳,增加了涂层La3+持续析出的时间。同时,涂层中 TCP 的含量以及涂层表面类骨磷灰石的生成也影响着 La3+的析出浓度,该组涂层中La3+平均每天的释放浓度范围为:9.3 ±0.9~11.2 ±0.7PPB。采用数学模型对 La3+的析出浓度与时间的关系进行了表示,并预测了 La3+的析出时间在51~190周之间。  (4)当La3+浓度为20 PPB时,La3+能明显促进破骨细胞的生成,而其他浓度的La3+对破骨细胞的生成表现出抑制作用。由于涂层中 La3+平均每天的释放浓度最大值为:11.2 PPB,所以涂层中析出的La3+对破骨细胞的生成具有抑制作用,持续抑制的时间约为51~190周。超过这个时间范围,涂层中析出的La3+对破骨细胞的作用不明确。  (5)在掺杂0.6 wt.% La2O3的Ca-P陶瓷涂层的基础上掺杂10 wt.%SiO2后,涂层在保证一定含量的HA的同时,涂层表面Ti元素含量明显降低,涂层中有大量Ca2SiO4的生成,CaTiO3的生成量降低,陶瓷涂层对破骨前体的活性具有更加明显的抑制作用。
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