超細晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設計與制備及其理化特性和骨整合性能的研究.pdf

1、微種植體是直徑小于3.0mm的種植體，主要用于解決缺牙區(qū)近遠中距離較小，或頰舌向骨量不足患者的種植修復需求。微種植體修復具有手術創(chuàng)傷小，術后不適感低等優(yōu)點。然而，微種植體的成功率較低，五年成功率約為83.9％-89%。其失敗的主要原因為，純鈦微種植體的機械強度低，在行使咀嚼功能時，折斷風險較高；微種植體表面積小，與骨組織接觸面積小，骨結合強度低，造成微種植體的松動和脫落。因此，提高微種植體的機械強度、增加其骨接觸面積是解決微種植體臨床應

2、用受限的關鍵問題。
　　晶粒細化能夠提高金屬材料的機械性能，等通道擠壓技術是細化晶粒的有效方法。因此，本研究使用等通道擠壓技術制備超細晶純鈦材料，對其力學性能進行測試，通過有限元方法對微種植體的螺紋形態(tài)進行優(yōu)化增加其骨接觸面積，然后制備出優(yōu)化形態(tài)的超細晶純鈦微種植體，對其破壞強度、疲勞強度及耐腐蝕性能等理化性能進行研究，最后將微種植體經表面處理后植入兔股骨建立實驗動物模型，對其周圍骨組織形態(tài)、骨整合性能及骨結合強度進行分析，為超細

3、晶純鈦微種植體的臨床應用奠定基礎。本研究共分為三部分：
　　第一部分超細晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設計及制備
　　1．超細晶純鈦材料的制備及力學性能測試。室溫下，對粗晶純鈦進行四道次 BC路徑等通道擠壓處理，擠壓速度4mm/min，然后觀察其微觀組織結構并測試其力學性能。透射電鏡結果表明，本研究制備的超細晶純鈦材料的晶粒細化均勻，平均晶粒尺寸約為300nm。力學性能測試結果表明，超細晶純鈦的維氏硬度由粗晶純鈦的1499MPa提高

4、為2488MPa，拉伸和壓縮屈服強度分別為682MPa和700MPa，較粗晶純鈦的拉伸和壓縮屈服強度分別提高51%和53%，同時保留了粗晶純鈦良好的延伸率和彈性模量。
　　2．超細晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設計及制備。使用Ansys Workbench有限元軟件對直徑2.5mm超細晶純鈦微種植體的螺紋高度和距離進行雙變量優(yōu)化，以微種植體的表面積、周圍骨組織中的最大等效應力以及微種植體強度值預判等因素確定優(yōu)化形態(tài)。研究結果表明，微種植體

5、的螺紋形態(tài)對周圍骨組織應力及骨接觸面積具有明顯影響。當螺紋高度為0.3mm，螺紋距離為0.67mm時，微種植體周圍皮質骨和松質骨上的最大等效應力值分別下降28%和33.1%，微種植體骨接觸面積增加了19%，且超細晶純鈦微種植體強度預估值能夠滿足臨床需求。然后，使用數控機床制備出精度符合研究要求的超細晶純鈦微種植體。
　　第二部分超細晶純鈦微種植體理化性能的研究
　　1．超細晶純鈦微種植體破壞強度實驗。按照ISO14801種植

6、體破壞強度實驗標準，制作破壞強度實驗裝置。在微種植體上加工鈷鉻合金冠，冠的旋轉中心與模擬骨水平面距離為11mm，載荷方向與微種植體長軸夾角為30°。研究結果表明，直徑2.5mm超細晶純鈦微種植體的破壞強度值為327.85±21.18N，顯著大于粗晶純鈦微種植體對照組的破壞強度值197.39±11.49 N，強度值提高66%。使用超細晶純鈦制作微種植體能夠顯著提高微種植體的機械強度。
　　2．超細晶純鈦微種植體疲勞強度實驗。按照IS

7、O14801種植體疲勞強度實驗標準，對微種植體的疲勞強度進行測試，載荷施加形式為正弦曲線，最小載荷為最大載荷的10%，加載頻率為10Hz。結果表明，超細晶純鈦和粗晶純鈦微種植體載荷循環(huán)數為106次時的載荷值分別為150N和90N，超細晶純鈦微種植體的疲勞強度明顯優(yōu)于粗晶純鈦微種植體，其疲勞強度能夠滿足臨床修復要求。
　　3．超細晶純鈦微種植體材料耐腐蝕性能實驗。在不同pH值和氟離子濃度下，通過電化學工作站對超細晶和粗晶純鈦的阻抗譜

8、和極化曲線等耐腐蝕性能參數進行測試，并對腐蝕形貌和腐蝕產物進行觀察。腐蝕電流和電位測試結果表明，在中性唾液環(huán)境隨著氟離子濃度的增加，兩種材料的耐腐蝕性能下降，超細晶與粗晶純鈦的耐腐蝕性能相似。在酸性唾液環(huán)境隨著氟離子濃度的增加，兩種材料的耐腐蝕性能下降，高氟離子濃度時，超細晶純鈦的耐腐蝕性能優(yōu)于粗晶純鈦。腐蝕形貌和產物分析結果表明超細晶純鈦表面的腐蝕產物少于粗晶純鈦。
　　4．超細晶純鈦微種植體材料表面處理后的形貌特征。按照課題組

9、優(yōu)化的噴砂酸蝕參數對超細晶和粗晶純鈦進行表面處理。噴砂處理使用Al2O3顆粒，壓力為0.6MPa，距離10mm，時間15s；酸蝕處理使用混合酸，酸蝕溫度為80℃，時間為5min。然后使用三維形貌分析儀和掃描電鏡對其形貌特征進行分析。結果表明，表面處理后的超細晶和粗晶純鈦具有噴砂形成的一級結構和酸蝕形成的二級結構，超細晶和粗晶純鈦表面的粗糙度Sa分別為1.67±0.18μm和1.74±0.15μm，均為適宜的種植體表面粗糙度范圍。

10、　　第三部分：超細晶純鈦微種植體骨整合性能的研究
　　1．微種植體動物模型的建立及骨結合性能分析。使用新西蘭大白兔建立微種植體動物模型，植入位點為富含松質骨的股骨遠心端。將經過表面處理的超細晶純鈦微種植體植入兔股骨，術后 X線檢查結果表明，微種植體與周圍骨組織愈合良好，未見骨吸收。術后2個月取材，對包含微種植體的股骨組織進行Micro-CT掃描，并結合骨硬組織切片VG染色，對微種植體周圍骨組織進行形態(tài)學和組織學分析。結果表明，超細

11、晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體與粗晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的骨組織形態(tài)學統(tǒng)計結果無區(qū)別，優(yōu)于超細晶純鈦標準形態(tài)微種植體。組織學結果表明，超細晶和粗晶純鈦微種植體與周圍骨組織均形成良好的骨結合。
　　2．微種植體骨結合強度實驗。對微種植體進行拔出強度實驗，超細晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的拔出力（422.50±50.29N）顯著大于超細晶純鈦標準螺紋微種植體（302.50±34.09N），與粗晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的拔出力（413.17±36.06