多孔鈦合金表面HA涂層改性及大動(dòng)物體內(nèi)骨修復(fù)研究.pdf

1、研究背景：
　　創(chuàng)傷，腫瘤及退行性變等原因造成的骨組織缺損的修復(fù)是骨科醫(yī)生臨床工作的難點(diǎn)問題。盡管自體骨移植一直是骨組織修復(fù)的金標(biāo)準(zhǔn)，但由于受限于取骨量和供區(qū)損傷等因素，自體骨移植無法完全滿足臨床的需求。
　　隨著材料科學(xué)和制備技術(shù)的發(fā)展，人們努力實(shí)現(xiàn)用人工骨材料替代自體骨材料，近年來已有多種人工骨移植替代材料用于臨床，解決了許多臨床問題。然而，在承重部位，單純使用生物活性陶瓷等可降解人工骨材料難以滿足力學(xué)的要求。有研究者試

2、圖采用多孔金屬材料（如多孔鉭股骨頭支撐棒和多孔鈦?zhàn)甸g融合器等）來滿足骨填充修復(fù)和力學(xué)穩(wěn)定要求，但單純金屬材料的惰性特性使骨長(zhǎng)入出現(xiàn)障礙。因此研發(fā)一種既具有良好的骨修復(fù)能力，同時(shí)又具有較高的機(jī)械強(qiáng)度的新型人工骨移植替代材料將對(duì)臨床問題的解決起到促進(jìn)作用。
　　本研究利用先進(jìn)的3D金屬打印技術(shù)—電子束熔融技術(shù)（Electron Beam Melting, EBM），通過精確控制材料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下制備出彈性模量與骨

3、組織更加匹配的多孔鈦合金材料，通過等離子噴涂技術(shù)在多孔鈦合金金屬小梁表面構(gòu)建具有生物活性的羥基磷灰石（Hydroxyapatite HA）涂層，由此將金屬材料的高機(jī)械強(qiáng)度和生物活性陶瓷的骨傳導(dǎo)特性有機(jī)結(jié)合，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)承重部位骨修復(fù)替代材料的應(yīng)用要求。
　　目的：
　　1.通過EBM技術(shù)設(shè)計(jì)制備具備高孔隙率、大孔徑、力學(xué)性能與骨組織相匹配的多孔鈦合金植入棒，檢測(cè)評(píng)價(jià)其孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能；
　　2.應(yīng)用等離子噴涂技術(shù)在多孔鈦

4、合金植入棒金屬骨小梁表面復(fù)合HA涂層，檢測(cè)其表面特征，評(píng)價(jià)涂層制備效果；
　　3.采用羊股骨髁骨缺損修復(fù)模型，評(píng)價(jià)復(fù)合HA涂層的多孔鈦合金植入棒和未復(fù)合涂層的多孔鈦合金植入棒兩種材料的骨長(zhǎng)入及骨整合效果，對(duì)比研究等離子噴涂HA涂層后能否改善多孔鈦合金材料的骨長(zhǎng)入和骨整合能力。
　　方法：
　　1.多孔鈦合金植入棒的制備和檢測(cè)：采用CAD軟件Materialise/MagicsTM設(shè)計(jì)建立多孔鈦合金植入棒的三維模型，將模

5、型數(shù)據(jù)導(dǎo)入 EBM設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)控制逐層熔融Ti6Al4V粉末，最終制備出內(nèi)外結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)相同的多孔鈦合金試樣，通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描及力學(xué)檢測(cè)，對(duì)制備的多孔鈦合金植入棒的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)分析；
　　2.多孔鈦合金植入棒的表面處理：采用等離子噴涂技術(shù)在制備好的多孔鈦合金植入棒金屬骨小梁表面制備HA涂層，通過電子顯微鏡掃描、能譜分析、激光共聚焦顯微鏡等設(shè)備和方法對(duì)復(fù)合HA涂層及未復(fù)合涂層的兩種多孔鈦合金植入棒進(jìn)行表面特征檢測(cè)；<

6、br>　　3.大動(dòng)物骨埋植實(shí)驗(yàn)：在6只雌性成年小尾寒羊雙后肢股骨遠(yuǎn)端外側(cè)髁部建立直徑10mm，深度20mm的圓柱形骨缺損模型，隨機(jī)植入復(fù)合HA涂層的多孔鈦合金植入棒及未復(fù)合HA涂層的多孔鈦合金植入棒，術(shù)后2個(gè)月、4個(gè)月取材，影像學(xué)和組織學(xué)方法評(píng)價(jià)，對(duì)照研究?jī)煞N植入棒孔隙內(nèi)新骨長(zhǎng)入和材料界面骨整合情況。
　　結(jié)果：
　　1.多孔鈦合金植入棒制備及表面HA噴涂結(jié)果
　　采用EBM制備的多孔鈦合金植入棒具備較高的孔隙率（69

7、±5％），三維貫通的孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑為514±35μm，金屬小梁直徑為238±23μm。力學(xué)檢測(cè)結(jié)果顯示，其壓縮強(qiáng)度為90±2MPa，彈性模量為3.2±0.3GPa。能譜分析顯示，等離子噴涂HA涂層后，多孔鈦合金淺層金屬小梁表面具備 Ca、P等活性元素，但材料深部金屬小梁表面仍存在Ti、Al等基體元素。激光共聚焦顯微鏡檢測(cè)顯示復(fù)合HA涂層的多孔鈦合金表面（Ra值8.45±0.80μm）較未涂層的多孔鈦合金更粗糙（Ra值4.95±1.26μ

8、m）。
　　2.大動(dòng)物骨內(nèi)埋植后新骨長(zhǎng)入和骨整合結(jié)果
　　取材標(biāo)本 Micro-CT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間點(diǎn)兩種材料周圍均可見新生骨生成，2個(gè)月時(shí)，HA涂層組的骨體積分?jǐn)?shù)（9.32±0.72%）顯著高于單純多孔鈦合金材料組（5.13±1.73%），4個(gè)月時(shí)，HA涂層組材料內(nèi)部的骨體積分?jǐn)?shù)增加到了（17.68±3.49%），遠(yuǎn)高于單純多孔鈦合金材料組（6.29±2.11%）。組織學(xué)結(jié)果顯示，術(shù)后2個(gè)月，HA涂層組的礦化骨面積百分比

9、（8.26±0.35%）顯著高于單純多孔鈦合金材料組（5.40±1.51%），術(shù)后4個(gè)月，HA涂層組的礦化骨面積百分比顯著升高（19.78±1.46%），明顯高于單純多孔鈦合金組的礦化骨面積百分比（5.70±0.85%），兩者間存在顯著差異（P<0.05）。結(jié)合Micro-CT和組織學(xué)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：HA涂層組的材料內(nèi)部骨長(zhǎng)入量在兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)均高于單純多孔鈦合金組，等離子噴涂制備 HA涂層對(duì)于促進(jìn)周圍骨組織長(zhǎng)入多孔鈦合金材料內(nèi)部有明顯促進(jìn)作

10、用。組織學(xué)觀察可見，未復(fù)合 HA涂層的多孔鈦合金植入物與周圍的骨組織之間存在縫隙，復(fù)合 HA涂層的多孔鈦合金材料與新生的骨組織結(jié)合緊密，表現(xiàn)出良好的骨整合能力。
　　結(jié)論：
　　1.EBM制備的多孔鈦合金植入棒在孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能兩方面均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；
　　2.等離子噴涂技術(shù)可以在多孔鈦合金植入棒金屬骨小梁表面構(gòu)建活性HA涂層；
　　3.大動(dòng)物體內(nèi)埋植實(shí)驗(yàn)顯示，復(fù)合HA涂層的多孔鈦合金植入棒在材料內(nèi)部的新骨長(zhǎng)入