三维分级多孔钛植入体的制备及性能研究

论文摘要

钛和钛合金具有良好的力学性能和生物相容性,是主要的外科植入件优选的替代材料。目前医用钛在临床应用中主要存在着以下问题：一是生物力学相容性相对较差,其弹性模量与人体硬组织不匹配；二是生物活性较差,不能与人体硬组织形成化学骨性结合。因此,有必要降低弹性模量以提高其生物力学相容性以及表面改性以提高其生物活性。医用多孔钛是基于生物组织可以长入,提高机械固定作用而开发的,这就要求多孔钛具有足够的孔隙率及孔径大小,并且还须具备一定的力学性能。然而,孔隙的增加必然导致力学性能的下降,如何在具备较高孔隙率及良好孔隙结构的同时,使多孔钛达到与人体自有骨组织相匹配的力学性能,这一直是医用多孔钛研究及应用中存在的问题。另外,目前医用多孔钛还存在连通孔的闭塞率较高,孔径大小不合理等问题,而三维贯通的孔隙结构及合适的孔径大小对于骨组织的修复过程也有着重要影响。粉末浆料发泡法通常用于多孔陶瓷的制备,操作简便,成本低,不需要加压处理,本文选用此方法来制备多孔钛植入体。根据金属钛粉末的性质特点,本研究对传统浆料发泡法的工艺方法及参数（如粘结剂的选择,发泡剂用量及发泡时间,烧结温度和保温时间等）进行改进,制备出具有三维连通孔隙的多孔钛,并表征了其物理性能、孔隙特征以及力学性能,研究了发泡剂用量、烧结温度等对多孔钛表面形貌和力学性能的影响；随后,通过化学处理活化其表面,并构建了一种具有分级多孔结构的多孔钛种植体；分别通过体外仿生矿化和小牛血清蛋白吸附试验,考察了活化处理及多孔结构对诱导矿化和蛋白吸附的影响；通过体外细胞培养,评价了多孔钛的细胞相容性；通过动物体内实验,考察其对骨整合的影响；最后,对含钇的多孔钛种植体的性能进行了初步研究。本文首先对发泡剂、烧结温度等工艺参数对多孔钛孔隙率、显微组织以及表面形貌的影响进行了研究。结果表明,当发泡剂用量为10%、25%、40%时,多孔钛孔隙率分别为48%、64%及76%;烧结温度对多孔钛的物理性能和表面形貌有重要影响,当烧结温度升高时,烧结体线收缩率增大,孔的形状由不规则形状逐渐变成圆形,并且烧结颈变粗大,基体烧结成一个整体。研究中还发现,发泡法制备的多孔钛不但孔隙结构互相贯通,而且同时包含100-400μm的大孔以及20μm左右的微孔；孔隙率为48%、64%及76%多孔钛的压缩强度分别为246±10MPa、102±7.1MPa及23.6±3.4MPa,能够满足负重植入体的要求。另外,多孔钛具有一定的能量吸收能力和抗冲击性能,在植入时有望提高植入体的早期稳定性。通过化学方法对多孔钛进行活化处理,结果表明,经过酸碱处理后的多孔钛呈现出一种独特的三维分级多孔结构,其中包含三种不同孔径大小的孔隙,即100-400μm的大孔、20μm左右的微孔以及网络状几百纳米大小的孔隙。生物仿生矿化和蛋白吸附结果表明,这种多孔钛具有良好的生物活性和生物相容性,在模拟体液中浸泡3天即可快速沉积HA,且其复杂的多孔结构提供大的比表面积和表面能,大大促进了其对蛋白质的吸附能力。将其与成骨细胞联合培养,结果表明,分级多孔结构以及材料表面的化学状态对细胞的生长有明显影响,能够促进成骨细胞的黏附、增殖及分化；酸碱处理多孔钛表面成骨细胞生长行为良好,细胞完全铺展,伪足较多,且细胞向内部孔隙生长。通过动物体内植入实验进一步考察了其对骨整合的影响。结果表明,发泡法制备的多孔钛具备良好的生物相容性以及骨传导能力。HA涂层以及材料的多孔结构对骨组织的生长有明显影响,可以促进骨组织向材料内部孔隙长入,具有分级多孔结构的多孔钛种植体在动物体内植入4周和12周后,都具有最高的与骨剪切强度和新骨形成率,骨整合情况良好。最后,本研究通过在纯钛中添加氧化钇,考察了稀土钇对于多孔钛性能的影响。研究结果表明,添加0.2%和0.5% Y2O3均可以提高多孔钛种植体的强度,而添加量为1.0%时,压缩强度则明显下降；在钛基体表面以及颗粒间隙均有富Y颗粒存在,并且Y元素在基体分布较均匀；富钇颗粒中不仅含有稀土氧化物,还有Ti／Y金属间化合物的存在,有利于其力学性能的改善；含钇多孔钛种植体生物力学相容性良好,有望提高种植体的长期稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物材料及其与机体的相互作用
• 1.1.1 生物材料的分类及发展趋势
• 1.1.2 生物材料与机体的相互作用
• 1.2 硬组织植入生物材料
• 1.2.1 硬组织植入材料的特点及分类
• 1.2.2 硬组织植入材料的发展方向
• 1.3 生物医用多孔金属材料
• 1.3.1 医用金属材料
• 1.3.2 医用多孔金属材料
• 1.4 医用多孔钛及钛合金
• 1.4.1 医用多孔钛的特性
• 1.4.2 多孔钛制备方法
• 1.5 本论文研究目的及内容
• 1.5.1 研究背景及目的
• 1.5.2 研究内容
• 1.6 技术路线
• 第二章 多孔钛的物理性能及制备工艺优化
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 材料表征
• 2.3.1 相对密度
• 2.3.2 孔隙率
• 2.3.3 烧结收缩率
• 2.3.4 金相分析
• 2.3.5 扫描电镜观察
• 2.3.6 统计学分析
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 影响成型主要因素
• 2.4.2 孔隙率及相对密度
• 2.4.3 烧结体线收缩率
• 2.4.4 多孔钛烧结体的显微组织
• 2.4.5 烧结温度对表面形貌的影响
• 2.5 小结
• 2.6 结论
• 第三章 多孔钛的孔隙特征及力学性能
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 材料制备
• 3.2.2 孔隙率
• 3.2.3 SEM
• 3.2.4 孔径大小及分布
• 3.2.5 压缩试验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 表面形貌及孔隙结构
• 3.3.2 孔径大小及分布
• 3.3.3 静态压缩性能
• 3.3.4 孔隙率对力学性能的影响
• 3.3.5 能量吸收性能
• 3.4 小结
• 3.5 结论
• 第四章 生物活化及分级多孔结构的构建
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 材料制备
• 4.2.2 活化处理
• 4.2.3 样品表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 预钙化处理
• 4.3.2 碱热处理
• 4.3.3 酸碱处理及分级多孔结构的构建
• 4.4 小结
• 4.5 结论
• 第五章 表面仿生矿化与小牛血清蛋白吸附
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 材料制备
• 5.2.2 活化处理
• 5.2.3 仿生矿化
• 5.2.4 蛋白吸附
• 5.2.5 样品表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 不同活化处理对仿生矿化的影响
• 5.3.2 BSA蛋白吸附特性
• 5.4 小结
• 5.5 结论
• 第六章 多孔钛成骨细胞培养
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 材料准备
• 6.2.2 体外细胞培养
• 6.2.3 试样的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 细胞形貌
• 6.3.2 Alamar Blue测试
• 6.3.3 ALP检测
• 6.4 小结
• 6.5 结论
• 第七章 多孔钛动物体内植入
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 样品准备
• 7.2.2 实验动物与分组
• 7.2.3 手术过程
• 7.2.4 检测方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 大体观察
• 7.3.2 X线摄片检查
• 7.3.3 推出测试
• 7.3.4 组织形态学观察
• 7.3.5 多孔结构对骨整合的影响
• 7.3.6 活化处理对骨整合的影响
• 7.3.7 肌肉内植入样品组织切片
• 7.4 小结
• 7.5 结论
• 第八章 含钇多孔钛种植体性能研究
• 8.1 引言
• 8.2 材料与方法
• 8.2.1 材料制备
• 8.2.2 力学测试
• 8.2.3 表面形貌
• 8.2.4 体内实验
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 钛合金中的添加元素
• 8.3.2 稀土氧化物对力学性能的影响
• 8.3.3 表面形貌与元素分布
• 8.3.4 体内植入实验
• 8.4 小结
• 8.5 结论
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文和申请专利