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)用鈦在臨床應用中主要存在著以下問題：一是生物力學相容性相對較差，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骨性結合。因此，有必要降低彈性模量以提高其生物力學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性能。然而，

2、孔隙的增加必然導致力學性能的下降，如何在具備較高孔隙率及良好孔隙結構的同時，使多孔鈦達到與人體自有骨組織相匹配的力學性能，這一直是醫(yī)用多孔鈦研究及應用中存在的問題。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構及合適的孔徑大小對于骨組織的修復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，本研究對傳統(tǒng)漿料發(fā)泡法的工藝方法及參數(shù)(如粘結劑的選擇，發(fā)泡劑用量及發(fā)泡時間，燒結溫度和保溫時間等)進行改進，制備出具有三維連通孔隙的多孔鈦，并表征了其物理性能、孔隙特征以及力學性能，研究了發(fā)泡劑用量、燒結溫度等對多孔鈦表面形貌和力學性能的影響；隨后，通過化學處理活化其表面，并構建了一種具有分級多孔結構的多孔鈦種植體；分別通過體外仿生礦化和小牛血清蛋白吸附試驗，考察了活化處理及多孔結構對誘導礦化和蛋白吸附的影響；通過體外細胞

4、培養(yǎng)，評價了多孔鈦的細胞相容性；通過動物體內(nèi)實驗，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行了初步研究。
　　 本文首先對發(fā)泡劑、燒結溫度等工藝參數(shù)對多孔鈦孔隙率、顯微組織以及表面形貌的影響進行了研究。結果表明，當發(fā)泡劑用量為10％、25％、40％時，多孔鈦孔隙率分別為48％、64％及76％；燒結溫度對多孔鈦的物理性能和表面形貌有重要影響，當燒結溫度升高時，燒結體線收縮率增大，孔的形狀由不規(guī)則形狀逐漸變成圓形，并

5、且燒結頸變粗大，基體燒結成一個整體。研究中還發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡法制備的多孔鈦不但孔隙結構互相貫通，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％多孔鈦的壓縮強度分別為246±10MPa、102±7.1MPa及23.6±3.4MPa，能夠滿足負重植入體的要求。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。
　　 通過化學方法對多孔鈦進行活化處理，結果表明，經(jīng)

6、過酸堿處理后的多孔鈦呈現(xiàn)出一種獨特的三維分級多孔結構，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)絡狀幾百納米大小的孔隙。生物仿生礦化和蛋白吸附結果表明，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，且其復雜的多孔結構提供大的比表面積和表面能，大大促進了其對蛋白質(zhì)的吸附能力。將其與成骨細胞聯(lián)合培養(yǎng)，結果表明，分級多孔結構以及材料表面的化學狀態(tài)對細胞的生長有明顯影響

7、，能夠促進成骨細胞的黏附、增殖及分化；酸堿處理多孔鈦表面成骨細胞生長行為良好，細胞完全鋪展，偽足較多，且細胞向內(nèi)部孔隙生長。
　　 通過動物體內(nèi)植入實驗進一步考察了其對骨整合的影響。結果表明，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能力。HA涂層以及材料的多孔結構對骨組織的生長有明顯影響，可以促進骨組織向材料內(nèi)部孔隙長入，具有分級多孔結構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度和新骨形成率，骨