三維分級多孔鈦植入體的制備及性能研究.pdf

1、鈦和鈦合金具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，是主要的外科植入件優(yōu)選的替代材料。目前醫(yī)用鈦在臨床應(yīng)用中主要存在著以下問題：一是生物力學(xué)相容性相對較差，其彈性模量與人體硬組織不匹配；二是生物活性較差，不能與人體硬組織形成化學(xué)骨性結(jié)合。因此，有必要降低彈性模量以提高其生物力學(xué)相容性以及表面改性以提高其生物活性。醫(yī)用多孔鈦是基于生物組織可以長入，提高機(jī)械固定作用而開發(fā)的，這就要求多孔鈦具有足夠的孔隙率及孔徑大小，并且還須具備一定的力學(xué)性能。然而，

2、孔隙的增加必然導(dǎo)致力學(xué)性能的下降，如何在具備較高孔隙率及良好孔隙結(jié)構(gòu)的同時，使多孔鈦達(dá)到與人體自有骨組織相匹配的力學(xué)性能，這一直是醫(yī)用多孔鈦研究及應(yīng)用中存在的問題。另外，目前醫(yī)用多孔鈦還存在連通孔的閉塞率較高，孔徑大小不合理等問題，而三維貫通的孔隙結(jié)構(gòu)及合適的孔徑大小對于骨組織的修復(fù)過程也有著重要影響。
　　 粉末漿料發(fā)泡法通常用于多孔陶瓷的制備，操作簡便，成本低，不需要加壓處理，本文選用此方法來制備多孔鈦植入體。根據(jù)金屬鈦粉末

3、的性質(zhì)特點(diǎn)，本研究對傳統(tǒng)漿料發(fā)泡法的工藝方法及參數(shù)(如粘結(jié)劑的選擇，發(fā)泡劑用量及發(fā)泡時間，燒結(jié)溫度和保溫時間等)進(jìn)行改進(jìn)，制備出具有三維連通孔隙的多孔鈦，并表征了其物理性能、孔隙特征以及力學(xué)性能，研究了發(fā)泡劑用量、燒結(jié)溫度等對多孔鈦表面形貌和力學(xué)性能的影響；隨后，通過化學(xué)處理活化其表面，并構(gòu)建了一種具有分級多孔結(jié)構(gòu)的多孔鈦種植體；分別通過體外仿生礦化和小牛血清蛋白吸附試驗(yàn)，考察了活化處理及多孔結(jié)構(gòu)對誘導(dǎo)礦化和蛋白吸附的影響；通過體外細(xì)胞

4、培養(yǎng)，評價了多孔鈦的細(xì)胞相容性；通過動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，考察其對骨整合的影響；最后，對含釔的多孔鈦種植體的性能進(jìn)行了初步研究。
　　 本文首先對發(fā)泡劑、燒結(jié)溫度等工藝參數(shù)對多孔鈦孔隙率、顯微組織以及表面形貌的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)發(fā)泡劑用量為10％、25％、40％時，多孔鈦孔隙率分別為48％、64％及76％；燒結(jié)溫度對多孔鈦的物理性能和表面形貌有重要影響，當(dāng)燒結(jié)溫度升高時，燒結(jié)體線收縮率增大，孔的形狀由不規(guī)則形狀逐漸變成圓形，并

5、且燒結(jié)頸變粗大，基體燒結(jié)成一個整體。研究中還發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡法制備的多孔鈦不但孔隙結(jié)構(gòu)互相貫通，而且同時包含100-400μm的大孔以及20μm左右的微孔；孔隙率為48％、64％及76％多孔鈦的壓縮強(qiáng)度分別為246±10MPa、102±7.1MPa及23.6±3.4MPa，能夠滿足負(fù)重植入體的要求。另外，多孔鈦具有一定的能量吸收能力和抗沖擊性能，在植入時有望提高植入體的早期穩(wěn)定性。
　　 通過化學(xué)方法對多孔鈦進(jìn)行活化處理，結(jié)果表明，經(jīng)

6、過酸堿處理后的多孔鈦呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的三維分級多孔結(jié)構(gòu)，其中包含三種不同孔徑大小的孔隙，即100-400μm的大孔、20μm左右的微孔以及網(wǎng)絡(luò)狀幾百納米大小的孔隙。生物仿生礦化和蛋白吸附結(jié)果表明，這種多孔鈦具有良好的生物活性和生物相容性，在模擬體液中浸泡3天即可快速沉積HA，且其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)提供大的比表面積和表面能，大大促進(jìn)了其對蛋白質(zhì)的吸附能力。將其與成骨細(xì)胞聯(lián)合培養(yǎng)，結(jié)果表明，分級多孔結(jié)構(gòu)以及材料表面的化學(xué)狀態(tài)對細(xì)胞的生長有明顯影響

7、，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附、增殖及分化；酸堿處理多孔鈦表面成骨細(xì)胞生長行為良好，細(xì)胞完全鋪展，偽足較多，且細(xì)胞向內(nèi)部孔隙生長。
　　 通過動物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步考察了其對骨整合的影響。結(jié)果表明，發(fā)泡法制備的多孔鈦具備良好的生物相容性以及骨傳導(dǎo)能力。HA涂層以及材料的多孔結(jié)構(gòu)對骨組織的生長有明顯影響，可以促進(jìn)骨組織向材料內(nèi)部孔隙長入，具有分級多孔結(jié)構(gòu)的多孔鈦種植體在動物體內(nèi)植入4周和12周后，都具有最高的與骨剪切強(qiáng)度和新骨形成率，骨