经微弧氧化表面处理的钛铌锆锡合金的生物相容性研究

论文摘要

钛及钛合金具有合适的强度和良好的生物相容性,因而被广泛应用于生物医学领域,如骨科、口腔科、矫形外科的植入材料。但是,现有的医用钛及其合金还有一些不足之处,主要是其生物力学特性与人体组织不匹配,且生物功能性较差。因此,研发具有高机械强度,低弹性模量及无毒性元素构成的新型钛合金受到人们广泛关注,并且这方面的研究正在迅速推进。本课题选用中国科学院沈阳金属研究所自主研发的β钛合金-钛铌锆锡（Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn）,具有低弹性模量、高强度、高韧性、高疲劳强度和抗腐蚀性,是一种综合性能良好的生物钛合金。然而,没有一种生物医学材料能完全满足临床使用的各项要求。长期研究与应用发现,医用金属材料在体内表现为生物惰性,植入体内不能与宿主组织发生键合,与组织结合不牢固,容易松动而导致失败;另外,由生理腐蚀造成的金属离子向周围组织扩散可导致局部或全身毒副作用。所以,提高种植体与生物机体的结合性能是目前所面临的难题之一。目前解决这个问题的主要途径是用各种表面处理工艺对材料表面进行改性。其中微弧氧化技术是一种可操作性较强的金属表面处理技术。研究目的:本研究采用微弧氧化技术处理钛铌锆锡合金,在材料表面形成一氧化膜层,通过细胞培养（离体）和动物实验（在体）对其生物相容性进行评估,探讨其表面改性的效果,为该材料的临床应用提供理论基础。研究方法:根据国际标准化组织ISO10993-1:1992医疗器械生物学评价标准和要求,制定相关体内、外实验如下:1.选用SD乳鼠颅顶骨成骨细胞进行体外培养,将细胞分别接种于纯钛、未作处理和经微弧氧化处理的钛铌锆锡合金表面。观察细胞在材料表面的附着、增殖和碱性磷酸酶表达活性,并用扫描电镜观察细胞在材料表面的形态变化。2.将纯钛、未作处理和微弧氧化处理的钛铌锆锡合金分别植入实验兔胫骨,分别于4周、26周后处死动物,切取含有种植体的骨块并固定。首先用X线检查种植体-骨界面,然后制作不脱钙切片,用光学显微镜和扫描电镜观察骨结合情况,并进行图像分析;采用拉出测力（pull-out）实验检测种植体-骨结合强度。研究结果:1.经微弧氧化的钛铌锆锡合金可促进成骨细胞的早期附着;培养早期的MAO-TNZS组和其他两组的成骨细胞增殖活性和碱性磷酸酶活性相当,但是在培养至第7天时,MAO-TNZS组的成骨细胞增殖活性和碱性磷酸酶活性均明显高于对照组。扫描电镜观察发现成骨细胞在MAO-TNZS表面伸展良好,粘附牢固;随培养时间延长,细胞密度增加,细胞分裂增殖并分泌大量的细胞外基质。2. X线结果显示,在两个观察周期下,所有种植体与骨组织接触紧密,周围骨组织无吸收现象;HE染色和SEM观察表明,包括对照组在内,所有种植体周围没有形成纤维层,种植体表面有骨陷窝和骨组织形成,周围骨组织内的成骨细胞的细胞突向种植体表面伸出,但见MAO-TNZS组形成的类骨质较致密;拉出测力结果表明,各组种植体的骨结合力随时间延长均增加,MAO-TNZS组与其他两组相比有显著性差异（P<0.05）。结论:经微弧氧化处理的钛铌锆锡合金有利于成骨细胞的附着、增殖和分化,具有良好的生物相容性;另外,表面处理后的材料可以与骨组织形成紧密的结合,加速骨组织的形成和改建,缩短了种植体的愈合时间,显著提高了种植体与骨组织之间的结合力。因此可以推断,钛铌锆锡合金经微弧氧化处理后获得了较高的生物活性,具有良好的临床应用前景。

论文目录

• 缩略语表
• 中文摘要
• 英文摘要
• 前言
• 文献回顾
• 第一部分 医用钛及钛合金的应用和发展
• 第二部分 金属材料的表面处理技术
• 第三部分 钛基种植体表面改性与骨结合
• 正文
• 第一部分 微弧氧化钛铌锆锡合金的体外细胞相容性研究
• 实验一 大鼠成骨细胞的原代培养与鉴定
• 1.材料和设备
• 2.方法
• 3.结果
• 4.结论
• 实验二 成骨细胞在材料表面的附着、增殖和ALP活性表达
• 1.材料和方法
• 2.结果
• 3.讨论
• 4.结论
• 实验三 成骨细胞在材料表面的生长形态
• 1.材料和设备
• 2.方法
• 3.结果
• 4.讨论
• 5.结论
• 本章小结
• 第二部分 微弧氧化钛铌锆锡合金的体内骨埋植实验研究
• 实验一 种植体-骨结合界面的X线观察、HE染色和SEM分析
• 1 材料和方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 实验二 种植体-骨结合生物力学评价和种植体表面SEM观察
• 1 材料和方法
• 2 结果
• 3 讨论
• 4 结论
• 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢