生物多孔鈦力學行為及孔結(jié)構(gòu)表征.pdf

1、鈦及鈦合金因具有優(yōu)異的力學性能、耐腐蝕性能及良好的生物相容性，在臨床骨替換應(yīng)用方面取得了巨大的成功。但是，由于存在彈性模量不匹配、植入體-骨結(jié)合強度低等問題，對降低材料彈性模量提出了進一步要求?？紫兜募尤牒芎玫慕鉀Q了這一問題，多孔鈦不僅具有與人骨相近的彈性模量，又為骨組織的長入提供了空間。研究者們已經(jīng)對多孔鈦的生物及力學相容性進行了廣泛的研究，并取得了一些有價值的成果。然而，有關(guān)生物多孔金屬材料在臨床應(yīng)用中還存在許多尚待解決的問題，尤其

2、是針對特定的生物學應(yīng)用，開展集中而系統(tǒng)的理論和實驗研究還略顯匱乏，而這對生物多孔鈦的發(fā)展及早日進入臨床應(yīng)用具有非常重要的意義。
　　本文采用添加造孔劑的粉末冶金法制備了不同孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的生物醫(yī)用多孔鈦材料。主要研究了不同造孔劑粒度和體積分數(shù)對多孔鈦孔隙率、孔徑大小及其分布的影響，對多孔鈦的孔結(jié)構(gòu)特征進行了觀察；研究了不同孔結(jié)構(gòu)參數(shù)多孔鈦的準靜態(tài)壓縮性能、彈性模量和強度與孔隙率/相對密度間關(guān)系，以及在壓縮過程中的孔結(jié)構(gòu)變形機制；采用堿

3、熱處理方法對多孔鈦進行表面改性，對活化層的結(jié)構(gòu)特征進行觀察，并對具有活化層表面多孔鈦的力學性能進行研究；最后采用浸泡模擬體液的方法研究了活化后多孔鈦的體外骨生物活性，并就活化層誘導磷灰石的形成機制進行了探討。論文的主要工作和取得的成果如下：
　?。?）研究了造孔劑粒度和體積分數(shù)對多孔鈦孔隙率、孔徑大小及其分布的影響。采用粉末冶金方法制備的多孔鈦，其孔隙率<70％，孔徑分布在100~550μm范圍內(nèi)。當造孔劑的粒度保持不變時，多孔鈦

4、的孔隙率、孔隙尺寸及連通性能都隨造孔劑體積分數(shù)的增大而增大，而孔隙的宏觀形貌主要受造孔劑的形態(tài)影響，與造孔劑體積分數(shù)關(guān)系不大。當造孔劑的體積分數(shù)保持不變時，造孔劑的粒度越大，多孔鈦的孔隙率、孔隙尺寸及其連通性能都增大，孔隙間通道變寬。且多孔鈦的孔徑分布范圍和平均孔徑均大于造孔劑的分布范圍及其平均尺寸。
　?。?）粉末冶金制備的多孔鈦材料的孔結(jié)構(gòu)特征。多孔鈦具有三維連通的孔隙結(jié)構(gòu)，其孔結(jié)構(gòu)分為兩種：一種為去除造孔劑后留下的宏觀孔隙，

5、大小由造孔劑粒度決定，四種不同孔徑多孔鈦的孔徑分布分別為100~200μm、125~350μm、225~425μm和250~550μm，相應(yīng)的平均孔徑分別為144μm、230μm、315μm和407μm；另一種孔結(jié)構(gòu)為分布在宏觀孔隙孔壁上的小孔洞，大小約為幾個微米。這種復(fù)合的孔結(jié)構(gòu)特征滿足骨組織的生長要求。
　?。?）多孔鈦的準靜態(tài)壓縮力學性能。生物多孔鈦的準靜態(tài)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有多孔材料的典型特征，都具有三個階段應(yīng)力-應(yīng)變響

6、應(yīng)行為，即線彈性階段、平臺區(qū)和致密化階段。區(qū)別在于，高孔隙率多孔鈦具有明顯的平臺階段，而低孔隙率（<32%）的多孔鈦則出現(xiàn)“偽平臺”階段，且偽平臺階段的斜率顯著依賴于孔隙率，隨著孔隙率的增加，“偽平臺”階段的曲線斜率逐漸減小。多孔鈦的彈性模量大致分布在1~18 GPa范圍內(nèi)，屈服強度大約分布在50~800 MPa范圍內(nèi)，抗壓強度在100~1600 MPa范圍內(nèi)，均滿足皮質(zhì)骨對于彈性模量的要求。且隨著孔隙率的增加，多孔鈦的彈性模量和強度均

7、不斷下降。
　　（4）不同孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的生物多孔鈦的彈性模量和強度與孔隙率/相對密度間關(guān)系及孔結(jié)構(gòu)變形。粉末冶金制備的多孔鈦，其相對彈性模量、相對屈服強度與相對密度之間，均存在一定的本構(gòu)關(guān)系，常數(shù)項C1和C2是與孔形態(tài)或制備工藝相關(guān)的參數(shù)，而n1和n2則分別預(yù)示了多孔鈦的彈性階段和屈服后的孔壁變形方式。對于本研究中的制備工藝來講，相應(yīng)的C1和C2值分別為0.17和1.45，n1和n2值則分別分布在（1.2~1.8）和（2.6~3.0

8、）范圍內(nèi)，n2平均值為2.79，說明相應(yīng)的孔壁變形方式為彎曲和屈曲共存，并以屈曲為主導。
　　（5）堿熱處理后多孔鈦樣品的活化層表面形貌及力學性能研究。堿熱處理后多孔鈦表面獲得了無裂紋的生物活化層，為鈦酸鈉和金紅石的混合物質(zhì)，且其形態(tài)呈現(xiàn)微孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，微孔大小約為200 nm。堿熱處理會降低多孔鈦的力學性能，但并不影響力學性能與孔結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)關(guān)系。
　　（6）活化層的截面結(jié)構(gòu)特征?；罨瘜訌幕w內(nèi)部到表面可劃分為三個區(qū)域：第

9、Ⅰ個區(qū)域為多孔鈦基體內(nèi)部；第Ⅱ區(qū)域為中間過渡層；第Ⅲ區(qū)域即為由Na2Ti5O11和TiO2組成的活化層?；罨瘜雍穸燃s為1.64μm。堿熱處理過程中，Ca離子與Na離子同時參與多孔鈦的反應(yīng)，Ca離子的參與使多孔鈦表面生成了具有活性的鈦酸鈣，進一步提高了多孔鈦的生物活性，使改性的樣品在后續(xù)的植入初期更早完成骨整合，縮短恢復(fù)期。
　?。?）活化后多孔鈦的體外骨生物活性及誘導磷灰石沉積的機制探討。改性后多孔鈦樣品浸泡模擬體液3天后，表面生

10、成了低結(jié)晶度且不穩(wěn)定的棒狀磷灰石，磷灰石含有Ti、O、Na、Ca、P、Cl和C七種元素，是摻雜了Mg2+的羰基磷灰石，（Ca+Mg）/P為1.67，說明經(jīng)改性后的多孔鈦具有很好的誘導磷灰石形成的能力。此外，樣品表面還生成了一種為白色顆粒狀物質(zhì)，是磷灰石形成過程中的中間產(chǎn)物鈦酸鈣。在SBF浸泡過程中，樣品表面的Ti-OH基團，先吸收Ca2+形成鈦酸鈣，鈦酸鈣進而結(jié)合磷酸根生成磷酸鈣。而堿熱處理后樣品表面的含Ca物質(zhì)，在浸泡模擬體液過程中，