纯钛由于具有优异的生物相容性,良好的耐腐蚀性和延伸率,且能与骨形成良好的骨结合被广泛应用于生物医学领域。但纯钛的机械强度较钛合金低,在临床使用中会出现纯钛种植体折断导致修复失败。因此,纯钛在临床应用过程中还需要对其机械性能进行研究和提高。等通道挤压技术可以通过改变金属晶粒的大小来改善材料的机械性能,过程中不会形成任何有害元素。课题组前期研究表明,晶粒细化之后的纯钛材料力学性能都得到提高,晶粒由30μm减小到300-400nm,硬度值由1496MPa上升到2458MPa,动态、静态压缩屈服强度分别从900MPa、300MPa上升到1240MPa、772MPa。上述研究为超细晶纯钛未来做为种植体材料应用于口腔临床奠定了良好的基础。近年来对超细晶纯钛材料生物相容性报道较多,尽管有研究表明超细晶纯钛能够促进成纤维细胞和成骨细胞在其表面的粘附和繁殖,但还需要尝试对超细晶纯钛材料进行表面处理,以提高超细晶纯钛种植体的骨结合率,降低种植失败的风险。本研究通过对超细晶纯钛进行微弧氧化处理在其表面形成氧化涂层,观察涂层的表面、横截面形貌特征,测定涂层的元素组成、涂层厚度、表面粗糙度和涂层结合力等理化性能,探讨微弧氧化处理方法应用于超细晶纯钛材料的可行性。在上述研究的基础上进行生物安全性的研究,为超细晶纯钛材料在口腔种植领域的应用提供实验依据。本研究包括以下两部分:一、超细晶纯钛材料表面微弧氧化处理及其理化性能的研究1.超细晶纯钛材料的制备在室温下将纯钛材料放置于自制等通道挤压模具中,通过等通道挤压和剧烈塑性变形技术制备出超细晶纯钛材料,通过线切割制备出标准实验试件。实验结果表明在室温下,采用挤压内角Φ=120°、外角ψ=20°和bc挤压路径,通过四道次挤压可以制备出结构致密表面光滑的超细晶纯钛材料,材料晶粒得到细化,机械强度明显增强。2.超细晶纯钛材料表面微弧氧化处理将等通道挤压技术制备的四道次超细晶纯钛试件放入微弧氧化设备中的阳极处,分别进行5min、10min、15min微弧氧化处理制备氧化涂层,对照组为普通纯钛。结果表明经过微弧氧化处理后实验试件表面形成一层粗糙的氧化膜,随着氧化时间的增加,材料表面形成的氧化涂层由深灰色逐渐变为灰白色,与基底超细晶纯钛结合紧密无涂层脱落。实验结果表明微弧氧化可以用于超细晶纯钛表面处理。3.表面处理后超细晶纯钛材料形貌特征采用场发射扫描电子显微镜和三维形貌扫描仪观察各组试件氧化涂层表面形貌和横截面形貌。结果显示材料表面形成了疏松多孔的氧化涂层。涂层分为两层,内层结构致密,外层结构疏松。疏松的外层结构含有圆形或椭圆形的微孔结构,便于骨细胞的贴附和生长。随着氧化处理时间增加,外层厚度增加,同时微孔直径增大。4.微弧氧化处理对超细晶纯钛表面涂层理化性能的影响采用x射线能谱仪分析各试件氧化涂层的元素组成,结果发现涂层的主要组成元素为o、ti,另外还有少量的p、si、c,不同处理时间的实验组和对照组之间各元素所占比例无明显差异。场发射扫描电子显微镜观察氧化涂层的厚度,结果表明超细晶纯钛的氧化涂层厚度比普通纯钛大,随着处理时间增加,氧化膜厚度增加。三维形貌扫描仪测量氧化涂层的表面粗糙度,用涂层附着力自动划痕仪测定涂层和基体的结合力强度,实验结果表明粗糙度和结合强度与普通纯钛无明显差异。但随着处理时间增加实验组与对照组粗糙度增加,结合强度则下降。二、微弧氧化处理后超细晶纯钛材料生物安全性的研究根据医疗器械生物学评价的标准对表面处理之后的超细晶纯钛进行溶血试验、细胞毒性试验、急性毒性试验和粘膜刺激试验,评价超细晶纯钛氧化涂层的生物安全性。1.溶血试验:采用新鲜兔血测定材料的溶血率,结果表明超细晶纯钛微弧氧化组的溶血率<5%,说明超细晶纯钛经微弧氧化处理之后具有良好的血液相容性,符合临床要求。2.细胞毒性试验:采用成纤维细胞,通过材料浸提液评价氧化涂层的细胞毒性,结果显示细胞生长状况良好,数量增加,材料毒性等级为0级,表明材料对细胞无明显毒性,对细胞生长无明显影响,具有良好的细胞相容性。3.急性毒性试验:通过对小鼠的口腔灌胃方法检测材料的急性毒性,实验发现从宏观和微观两方面均未见小鼠有中毒现象,表明超细晶纯钛在微弧氧化处理之后短期内对机体无毒性作用的,是安全可靠的。4.口腔粘膜刺激试验:以金黄地鼠作为实验对象,两周的观察发现口腔粘膜并无充血、水肿、糜烂等情况的发生,组织切片见有少量炎症细胞浸润,表明微弧氧化处理之后的超细晶纯钛材料对口腔粘膜无不良刺激反应。结论:1.采用等通道挤压技术成功制备出了四道次的超细晶纯钛材料,通过微弧氧化技术在超细晶纯钛表面进行了生物改性形成了氧化涂层,涂层内层致密,外层疏松,表面含有圆形或椭圆形微孔便于细胞生长,涂层与基体结合紧密,证明了微弧氧化处理技术可以应用于超细晶纯钛材料的表面处理。2.通过生物安全性试验研究表明超细晶纯钛材料经微弧氧化处理后其血液相容性好,无细胞毒性,短期内不会对机体产生毒性反应,不会对口腔粘膜产生刺激作用,具有较好的生物学性能。实验结果也为超细晶纯钛在种植修复中的应用提供依据。