鈦鈮合金生物相容性評(píng)價(jià)與植入實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前臨床上70％-80%的植入材料是由金屬材料組成，其中又以鈦和鈦合金所占比重最大，這和鈦合金良好的機(jī)械性能和生物相容性密切相關(guān)。然而，傳統(tǒng)鈦合金的彈性模量（100-110 GPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于植入物周圍的骨組織(10-30 GPa)，容易造成“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，導(dǎo)致植入材料周圍骨吸收。純鈦等α型鈦合金因強(qiáng)度較低，耐磨性差，限制了它在較大承載部位的使用。Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb等α+β混合型鈦合金的強(qiáng)度高，但其彈性模量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)

2、高于人體骨組織。從20世紀(jì)90年代開始，低彈性模量高強(qiáng)度的β鈦合金的開發(fā)與研制成為國際國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。以往的研究多集中在材料學(xué)的性能測(cè)試，缺乏系統(tǒng)的生物學(xué)相關(guān)評(píng)價(jià)。
　　目的：研究評(píng)價(jià)一種新型低彈性模量的鈦鈮（Ti-Nb）合金材料，該合金是在氬氣保護(hù)下采用真空熔煉的方法制備的β型鈦合金，為了評(píng)價(jià)其是否適用于種植植入，本文對(duì)該合金的成分、顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，考察了該合金的力學(xué)性能，測(cè)試了其耐腐蝕性能，進(jìn)行了相關(guān)的生物相容性評(píng)價(jià)，

3、并在Beagle犬脛骨植入材料來觀察材料周圍骨結(jié)合情況，為最終的臨床應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。
　　方法：
　　1、利用線切割技術(shù)將鈦鈮合金加工制備為試驗(yàn)所需形狀。分別采用能譜分析（EDS）、x-射線衍射分析（XRD）、金相觀察的方法對(duì)材料的組成成分和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征；利用顯微硬度計(jì)測(cè)試材料硬度；通過拉伸試驗(yàn)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，分析鈦鈮合金作為植入材料的力學(xué)相容性。
　　2、利用電化學(xué)腐蝕測(cè)試技術(shù)考察材料在模擬體液、人工唾液和含

4、氟唾液中的腐蝕情況。以純鈦?zhàn)鰹閷?duì)照，分別測(cè)試材料在溶液中開路電位、電化學(xué)阻抗譜和動(dòng)電位極化曲線，獲得電化學(xué)腐蝕的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)電化學(xué)阻抗譜提出等效電路模型，對(duì)材料表面形成的氧化膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行推測(cè)和假設(shè)，并對(duì)腐蝕后材料的表面形貌和表面成分進(jìn)行分析，驗(yàn)證提出的假設(shè)。
　　3、通過間接接觸和直接接觸的方法評(píng)價(jià)了材料對(duì) L929和 NIH3T3兩種成纖維細(xì)胞的毒性。將材料表面進(jìn)行噴砂酸蝕處理，滅菌后放置于24孔板，將MG63細(xì)胞培養(yǎng)在粗糙材

5、料表面，利用掃描電鏡、細(xì)胞計(jì)數(shù)、MTT、ALP等測(cè)試方法考察了成骨細(xì)胞在材料表面的粘附、增殖和分化能力。選用6只成年新西蘭大白兔進(jìn)行口腔粘膜刺激試驗(yàn)，將材料縫合于新西蘭大白兔的頰粘膜表面，觀察2周后，取試樣及周圍粘膜進(jìn)行組織學(xué)檢測(cè)。
　　4、在Beagle犬脛骨內(nèi)側(cè)以牙科種植機(jī)打孔，將直徑為4mm，長10mm的螺旋柱狀材料植入骨內(nèi)。在植入后的第2周和第4周分別注射鈣黃綠素和四環(huán)素，分別于第2周、第4周、第12周處死取材。對(duì)Beag

6、le犬的脛骨連同植入材料一起進(jìn)行Micro CT掃描分析，每個(gè)樣本獲得600張掃描圖像，通過 CTAn圖像處理軟件分析并計(jì)算松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨區(qū)域新骨的骨體積分?jǐn)?shù)；利用CTVol軟件將術(shù)后12周的植入材料及其周圍200μm的骨組織做三維重建分析，分別在皮質(zhì)骨區(qū)與松質(zhì)骨區(qū)各選100層掃描圖像用于重建，統(tǒng)一設(shè)置重建參數(shù)；植入材料及周圍骨組織經(jīng)酒精梯度脫水后，順著柱體方向以環(huán)氧樹脂包埋，切割并制作成30μm厚的磨片，在熒光顯微鏡下做組織形態(tài)學(xué)分析

7、。
　　結(jié)果：
　　1、經(jīng)EDS分析鈦鈮合金表面含Ti54.81%±0.31%，含Nb45.19%±0.31%。金相分析顯示鈦鈮合金為單一β相，X射線衍射結(jié)果提示鈦鈮合金表面除了β衍射峰，沒有觀察到α和α''峰。硬度測(cè)試的結(jié)果顯示，Ti-Nb的顯微硬度為233.4±7.7，對(duì)照組cp Ti的顯微硬度為193.1±5.3，Ti-Nb的硬度為cp Ti的1.2倍。拉伸試驗(yàn)中，Ti-Nb在彈性形變范圍內(nèi)，應(yīng)力應(yīng)變曲線為一條直線，其

8、拉伸強(qiáng)度為527MPa，屈服強(qiáng)度為438MPa，彈性模量為64.3GPa。Ti-Nb合金拉伸斷端的掃描電鏡形貌顯示，Ti-Nb合金發(fā)生的是塑性斷裂，拉伸斷端出現(xiàn)了大小均勻一致的韌窩，韌窩的直徑約為2-4μm。
　　2、Ti-Nb合金在改良人工唾液中的腐蝕行為與cp Ti接近，兩種材料在這種溶液中都是穩(wěn)定的。比較電化學(xué)腐蝕參數(shù)，在模擬體液中Ti-Nb和 cp Ti的腐蝕電流密度分別為9.48×10-8A/cm2和15.01×10-8

9、A/cm2，在含氟唾液中它們的腐蝕電流密度分別為5.26×10-5A/cm2和9.98×10-5A/cm2。說明在模擬體液與含氟溶液中，Ti-Nb的耐腐蝕性要優(yōu)于cp Ti。XPS分析顯示含氟酸性溶液腐蝕后Ti-Nb材料表面Nb/Ti原子比上升，Nb2O5的相對(duì)含量增加。腐蝕速度的不同，還與材料的成分和表面氧化膜結(jié)構(gòu)有關(guān)， Ti-Nb表面形成的 TiO2與Nb2O5混合物形成的三層膜結(jié)構(gòu)，有效地阻擋了氟離子的侵蝕。
　　3、間接細(xì)

10、胞毒性和直接細(xì)胞毒性試驗(yàn)顯示Ti-Nb合金沒有細(xì)胞毒性，兩種材料的浸提液對(duì)細(xì)胞的活性沒有明顯影響，L929和NIH3T3細(xì)胞能在材料表面正常的粘附與生長，細(xì)胞在材料表面伸展成梭形和多邊形。成骨細(xì)胞MG63在噴砂酸蝕的材料表面能正常的粘附、增殖，鋪滿整個(gè)材料表面，在凹凸不平的 Ti-Nb表面，細(xì)胞甚至騎跨在噴砂形成的凹痕上，形成一定的立體結(jié)構(gòu)，細(xì)胞與細(xì)胞間聯(lián)合成片，進(jìn)而證實(shí)材料對(duì)細(xì)胞的活性沒有影響。MTT法測(cè)試細(xì)胞增殖，沒有發(fā)現(xiàn)Ti-Nb

11、組與cp Ti組之間的差異。堿性磷酸酶測(cè)試結(jié)果顯示，Ti-Nb合金像cp Ti一樣，對(duì)成骨細(xì)胞的分化有促進(jìn)的作用，兩種合金之間沒有顯著差異。口腔粘膜刺激試驗(yàn)，大體觀和組織學(xué)檢測(cè)均沒有發(fā)現(xiàn) Ti-Nb合金對(duì)軟組織造成刺激，證實(shí)其具有良好的組織相容性。
　　4、Micro CT掃描分析的結(jié)果顯示，在松質(zhì)骨區(qū)域，骨體積分?jǐn)?shù)隨植入時(shí)間而增加，從第4周的20%左右上升到第12周的60%左右，而在皮質(zhì)骨區(qū)，骨體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化不明顯，兩種材料

12、之間沒有統(tǒng)計(jì)差異。三維重建分析結(jié)果顯示Ti-Nb和cp Ti植入脛骨12周后，皮質(zhì)骨區(qū)與松質(zhì)骨區(qū)植入材料的周圍長滿了網(wǎng)狀新骨結(jié)構(gòu)，在皮質(zhì)骨區(qū)的三維重建圖像上，還可以清晰地看到種植體末端的凹槽也覆蓋了新骨。熒光組織學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，植入材料周圍在不同時(shí)期形成的新骨與材料表面形成了骨結(jié)合，定性定量分析顯示Ti-Nb和cp Ti之間沒有明顯差別。進(jìn)一步證明Ti-Nb合金可以用作體內(nèi)植入材料。
　　結(jié)論：
　　1、Ti-Nb合金的體心立方

13、晶體（BCC）結(jié)構(gòu)決定了它的彈性模量比密排六方結(jié)構(gòu)（HCP）的cp Ti低，更接近于骨組織的彈性模量（10-30 GPa），在理論上不容易造成“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)。從強(qiáng)度與硬度比較，Ti-Nb合金比cp Ti更有優(yōu)勢(shì)。從生物力學(xué)匹配的角度考慮，低模量高強(qiáng)度的Ti-Nb合金具有更好的力學(xué)相容性。
　　2、Ti-Nb合金在改良人工唾液中的腐蝕行為與cp Ti接近，但在鹵離子（Cl-、F-）濃度較高的模擬體液和含氟酸性唾液中，Ti-Nb具有