金屬生物膜的形成機理及其潤滑和耐磨蝕特性的研究

《金屬生物膜的形成機理及其潤滑和耐磨蝕特性的研究》是依託北京科技大學，由岩雨擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金屬生物膜的形成機理及其潤滑和耐磨蝕特性的研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：岩雨
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

人工關節材料要有良好的生物適應性、耐磨耐蝕性和穩定的力學性能。磨損腐蝕是導致人工關節失效的主要原因，磨屑會誘發溶骨症、囊腫和病理反應。我們分析了50餘例服役1-5年的鈷合金人工關節，發現股頭和髖臼表面存在約10-200nm厚度不均的金屬生物膜和約2微米的納米晶粒層。這層金屬生物膜和納米晶層能有效的潤滑人工關節表面，具有低磨損和低腐蝕速率等特性。這些特性對於發展安全和長效的人工關節材料至關重要。本項目通過對鍛造鈷鉻鉬合金在仿生環境中表面組織結構變化的分析，利用螢游標記蛋白質分子技術，揭示該材料在力-電化學-生物多場耦合作用下，表面金屬生物膜的形成機理及與納米晶層的共生關係，建立其生長模型；結合電化學和摩擦磨損實驗手段，利用TEM，納米壓痕等方法，研究金屬生物膜潤滑、耐磨和耐蝕的特性；分析納米晶層在金屬生物膜形成過程中所起的作用，歸納出其對材料磨損和腐蝕速率影響的定量模型。

結題摘要

人工關節材料的生物適應性、耐磨耐蝕特性以及力學性能等直接影響到其在人體內的服役安全和服役壽命。以人工髖關節為例，雖然設計壽命為20年，但是大部分關節的服役壽命要小於設計壽命。人工關節的主要失效原因為過多的金屬離子和磨屑所誘發的生物體不良反應。因此如何提高人工關節的耐磨耐蝕性能，是提高其安全長效服役的核心問題。在良好服役的關節頭和關節臼表面存在一層金屬生物膜和納米晶，這種結構能夠有效潤滑人工關節表面，並且降低磨損和腐蝕速率。本課題通過對蛋白質在生物材料表面吸附作用進行研究，利用螢光標記法、原子力顯微鏡和開爾文探針顯微鏡，獲得了白蛋白對材料腐蝕速率的影響機理。結合電化學測試和摩擦磨損測試方法，揭示了人工關節鈷基合金在模擬生物體環境中，金屬生物膜的行程機理與納米晶層的共生關係；歸納出蛋白質在磨蝕過程中的演變規律和對材料磨蝕速率的影響機理。蛋白質的吸附是生物材料植入人體所發生的首要反應。蛋白質分子的吸附符合朗繆爾理論，並通過范德華力、靜電力和親疏水性進行吸附。文獻中蛋白質對不同金屬材料的腐蝕速率的影響具有較大分散性。申請人通過改變緩衝液pH值和施加電位，改變蛋白質和基體材料的帶電性，利用原子力顯微鏡和開爾文探針對白蛋白對鈷基合金表面的功函式的影響進行了系統研究。研究發現在白蛋白主要是以side-on的模式吸附在鈷基合金表面，並且會降低其功函式，提高其腐蝕速率。但是在動態摩擦磨損條件下，蛋白質會變性並形成金屬生物膜，並降低磨損區域的腐蝕速率。這層金屬生物膜還有利於納米晶的生成，造成材料表面硬化，提高耐磨性，降低摩擦係數。申請人在不同模擬生物運動條件下進行了實驗，均發現了納米晶層和金屬生物膜。不同蛋白質所形成的金屬生物膜有所不同，但對磨蝕速率的影響結果基本一致。申請人還對磨屑在不同條件下的產生機理和形態進行了研究，發現蛋白質能夠改變磨屑的組成和形態。磨屑的大小主要為10-30 nm。磨屑具有較強的電化學活性，可以釋放大量的金屬離子（Co，Cr和Mo）。可收集到的磨屑主要為hcp結構的Co。申請人還對施加電位和表面處理方法提高鈷基合金的耐磨蝕性能進行了探索。研究發現施加一定的陽極電位，可以促進蛋白質的吸附和成膜，降低磨損速率。表面滲氮、TiN塗層和表面大分子修飾均可以提高其耐磨蝕特性。申請人還對鈦合金表面抗菌和磨蝕特性進行了研究，為獲得安全長效服役的人工關節材料進行了有益探索。