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《武汉科技大学》 2016年
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316L不锈钢表面纳米孔阵列、三维石墨烯的制备及其生物相容性研究

张博威  
【摘要】:316L奥氏体医用不锈钢具有良好的机械力学性能、较强的抗腐蚀性能及价格低廉等优点,因此在医用领域存在巨大潜在应用价值。但316L不锈钢较低的生物相容性及其含有铬、镍等生物毒性元素的缺点限制了其应用。本文采用两步阳极氧化法在316L医用不锈钢表面制备出纳米孔阵列氧化层且氧化层内Cr、Ni元素的含量相对不锈钢基体而言有大幅度降低,从而来改善其生物相容性。此外,二维(2D)石墨烯由于片层间的范德华力而容易发生团聚,这使得2D石墨烯的独特性能受到限制;三维(3D)石墨烯不仅能够保持2D石墨烯的特有性能,而且在实际应用中的其他性能还能得到增强,因而受到广泛关注。但3D石墨烯的生物学影响到目前仍不清楚。由于3D石墨烯在生物医用领域存在巨大应用前景,本文以316L医用不锈钢表面纳米孔阵列为模板制备出3D石墨烯且对其体外生物相容性作了系统性评估。1.采用两步阳极氧化法在316L不锈钢表面制备出孔径可控的纳米孔阵列。在第二步阳极氧化过程中,纳米孔孔径受电压的影响且在一定范围内与阳极氧化时间之间存在线性关系。相对于第一步阳极氧化而言,在孔径没有明显扩张的情况下,第二步阳极氧化所生成的纳米孔深度是之前的7倍。经过第二步阳极氧化的不锈钢表面不存在零价的Fe、Cr和Ni且X射线光电子谱(XPS)检测谱中没有出现Cr、Ni的信号峰;2.以聚多巴胺为碳源,在孔径分别为50nm和240nm的不锈钢表面纳米孔阵列上制备出3D石墨烯,用NIH-3T3成纤维细胞对其体外生物安全性做了评估。纳米孔阵列有效改善了316L不锈钢的生物相容性。三维石墨烯则引起了细胞毒性,毒性大小与其三维构型有关;毒性的产生是由于细胞吞噬了三维石墨烯层中的纳米碳球,随之阻碍了细胞内黏附蛋白和肌动蛋白丝的合成,最终导致细胞凋亡。
【关键词】:316L不锈钢 两步阳极氧化 纳米孔阵列 三维石墨烯 生物相容性
【学位授予单位】:武汉科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.4;R318.08
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-9
  • 第一章 绪论9-24
  • 1.1 生物材料9-10
  • 1.1.1 生物相容性的概念及其评估9-10
  • 1.2 316L奥氏体不锈钢的特点及表面改性方法10-13
  • 1.3 阳极氧化法在不锈钢表面制备纳米孔阵列13-15
  • 1.4 石墨烯的生物相容性及 2D和 3D石墨烯的区别15-17
  • 1.5 石墨烯的制备方法17-18
  • 1.6 三维石墨烯的制备方法18-22
  • 1.6.1 溶液自组装法19
  • 1.6.2 界面自组装法19-20
  • 1.6.3 模板法20-22
  • 1.7 本论文选题背景和主要内容22-24
  • 1.7.1 选题背景22
  • 1.7.2 主要内容22-24
  • 第二章 两步阳极氧化法在不锈钢表面制备纳米孔阵列24-42
  • 2.1 引言24-25
  • 2.2 实验部分25-27
  • 2.2.1 实验器材及装置25-26
  • 2.2.2 实验材料及试剂26
  • 2.2.3 实验方法26-27
  • 2.3 结果与讨论27-40
  • 2.3.1 第一次阳极氧化处理后316L不锈钢表面的形貌27
  • 2.3.2 第二步阳极氧化过程中电解液成分及浓度的选择27-30
  • 2.3.3 两步阳极氧化法对表面形貌的影响30-31
  • 2.3.4 两步阳极氧化处理后的316L奥氏体不锈钢表面纳米结构形貌31-32
  • 2.3.5 纳米结构层的化学成分分析和阳极氧化的机理研究32-38
  • 2.3.6 实验参数对纳米结构形成的影响38-40
  • 2.4 结论40-42
  • 第三章 三维石墨烯的体外细胞毒性研究42-57
  • 3.1 前言42-43
  • 3.2 实验部分43-46
  • 3.2.1 实验器材及装置43
  • 3.2.2 实验材料和试剂43-44
  • 3.2.3 实验方法44-46
  • 3.3 实验结果46-53
  • 3.3.1 材料表征46-48
  • 3.3.2 蛋白吸附48-50
  • 3.3.3 早期附着50
  • 3.3.4 细胞毒性50
  • 3.3.5 细胞形态50-51
  • 3.3.6 细胞增殖51
  • 3.3.7 荧光染色51-53
  • 3.4 讨论53-56
  • 3.5 本章小结56-57
  • 第四章 结论与展望57-60
  • 4.1 结论57
  • 4.2 展望57-60
  • 致谢60-61
  • 参考文献61-71
  • 附录1 攻读硕士研究生期间发表的论文71-72
  • 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目72

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