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由疾病或创伤导致的骨缺损,尤其是大尺寸、承重部位的骨缺损,治疗十分困难。各种生物材料的应用是目前治疗骨缺损的主要手段,陶瓷、高分子聚合物材料虽然具有良好的生物相容性和骨传导性,并得到了广泛的应用,但因缺乏足够的机械强度,不能用于承重部位大段骨缺损的修复。提出一种基于直接金属快速成形技术的多孔结构生物活性钛合金骨科内植物制造方法,通过细胞培养和动物实验证其生物学性能。
钛及其合金由于具备良好的力学性能、抗腐蚀性和生物相容性,广泛应用于骨科,特别是承重部位骨或关节缺损的修复。临床实践和研究表明,由于钛及其合金与人体骨组织弹性模量的不匹配而产生的应力屏蔽,会导致骨吸收,从而使得植入体发生松动。引入多孔结构是降低金属植入体弹性模量的有效方法之一,且利于细胞、组织的长入,实现植入体的生物固定。传统的多孔钛及其合金的制备方法有:粉末冶金法、等离子喷涂法、发泡法、占位体法等,这些传统的制造方法缺乏对孔隙结构的精确控制,植入体的孔隙结构是其力学性能和生物学性能的重要影响因素。快速成形(Rapid Prototyping,RP)技术是一种基于离散堆积成形思想的新型成形技术,它采用材料累加的制造原理,通过计算机处理CAD数据,快速制造出三维实体模型。这一技术不但可以实现植入体复杂外形的加工制造,而且还能够精确控制植入体的内部孔隙结构,包括孔的尺寸、形状、空间走向、连通性等。采用直接金属快速成形技术之一的电子束熔化成形(Electron Beam Melting,EBM)技术,以Ti6Al4V粉体为原材料,制造可控孔隙结构的钛合金植入体,通过扫描电镜(Scanning ElectronMicroscope,SEM)观察其孔隙特征,结果表明所制造的多孔结构与设计结构一致。X线衍射分析(X-ray Diffraction analysis,XRD)结果显示,所制造的多孔钛合金植入体与原材料Ti6Al4V粉体的XRD图谱一致,证明EBM工艺没有改变材料的基本属性。利用压缩和三点弯曲试验测试常温条件下多孔Ti6Al4V植入体的力学性能,结果表明,孔隙率为50%的多孔Ti6Al4V植入体具有与人体皮质骨相匹配的弹性模量,且具有良好的机械强度。研究结果证明EBM技术应用于多孔结构骨科内植物的制造具有巨大的潜力和优势。
由于钛的生物惰性,其植入体内后,通常被纤维组织包裹,不能与骨组织直接长合。赋予其生物活性是促进骨整合形成的有效方法。采用改进的碱热处理方法,改变多孔钛合金表面微观形貌,赋予其生物活性。SEM观察碱热处理后的试件表面,发现其表面出现了大量纳米级微观孔隙结构。通过模拟体液(Simulated Body Fluid,SBF)浸泡检测改性后的多孔钛合金植入体表面磷灰石形成能力。SEM及能谱分析显示,SBF浸泡后试件表面有大量沉积物出现,其主要元素为Ca、P和O。XRD和傅立叶变换红外光谱仪(Fourier TransformInffared-Raman Spectroscopy,FT-IR)检测发现,这些沉积物的主要成份是类骨磷灰石,证明采用改进的碱热处理法能够赋予多孔钛合金植入体生物活性。