高强低模多孔NiTi-HA生物复合材料的制备与性能研究

发布时间：2018-02-28 00:05

  本文关键词： 多孔NiTi复合材料 径向梯度结构 高孔隙参量 高强低模 超弹性 生物活性　出处：《昆明理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：NiTi合金凭借其形状记忆效应与超弹性、优异的力学性能、高耐腐蚀性、良好的生物相容性等特点,在临床医疗特别是作为骨植入物、脊柱矫形医疗器械方面得到了广泛的应用。但是合金弹性模量与人骨相差较大,植入体内会产生"应力-屏蔽"现象,容易导致植入体松动或断裂;合金呈生物惰性,生物活性较差,难以与骨组织形成紧密骨性结合。这些问题严重制约了 NiTi合金的性能提高和应用推广。多孔化在保持了合金形状记忆效应与超弹性的同时,不仅有效降低了NiTi合金弹性模量,使之与骨组织较为匹配,而且还可使骨细胞更好的在材料表面粘附并长入孔隙,获得更稳定的生物锁合,为NiTi合金在骨植入物和脊柱矫形医疗器械方面带来了崭新的应用前景。然而当前多孔NiTi的制备工艺难以获得有利于骨细胞长入的高孔隙参量下的高强度和优异超弹性的共存;而且多孔NiTi合金生物活性低,缺乏对骨损伤的主动修复功能。通过在多孔NiTi合金表面制备生物活性涂层可改善材料的生物活性。但在临床试验中发现活性陶瓷层随着植入时间的延长,容易出现溶解、剥脱或被吸收现象,导致骨结合性能下降。基于以上原因,本论文以探索在高孔隙参量(孔隙率和孔隙尺度)条件下提高多孔NiTi生物材料的强度、活性、超弹性,获得与人骨匹配的低模量的多孔材料及其制备新技术为目标。将具有良好耐蚀性、生物相容性和超弹性的NiTi合金与具有优异生物活性和骨结合能力的HA陶瓷材料相结合进行功能复合化,通过放电等离子烧结技术(SPS)获得高孔隙参量、低模量、高活性的多孔NiTi-HA复合材料。并且根据仿生多级结构设计依据,进一步通过结构和功能化设计,利用SPS烧结技术的优势制备出高活性下,低模、高强的径向梯度多孔NiTi-HA复合材料。在此基础上,系统研究SPS预制孔隙的结构特点和成孔机制,建立并阐明了制备工艺和HA陶瓷含量对孔隙特征演变、力学性能、超弹性、耐腐蚀性以及生物活性间的对应关系及其影响机制,讨论SPS过程中径向梯度多孔复合材料的电流分布及成型过程。利用筛分后粒径均匀的NH4HCO3作为造孔剂,采用SPS在不添加粘结剂的情况下,通过优化的烧结温度和调控造孔剂含量(5～20wt.%)制备出孔隙率在39%～61%,平均孔隙尺寸在100～415 μm范围,弹性模量(7.5～18.1 GPa)与人骨相匹配和接近人骨抗压强度(260～1183 MPa)的多孔NiTi合金。采用SPS制备的多孔NiTi合金大孔与小孔并存且部分孔隙之间互相连通,在高孔隙率下的物相结构仍然由NiTi主相(B2相和B19相)组成。研究表明,SPS电场作用下增强的元素扩散作用有利于在短时间内获得高质量的颗粒联结强度和均匀的NiTi相。随烧结温度的升高,颗粒间联结程度增强,多孔NiTi合金抗压强度、弹性模量和超弹性不断升高。进一步通过引入不同含量的HA活性陶瓷制备出孔隙率在29%～37%,平均孔径超过100μm,弹性模量在5.6～8.1 GPa,抗压强度在57～225 MPa范围的多孔NiTi-HA生物复合材料。在多孔NiTi合金基体中添加HA陶瓷赋予了多孔NiTi合金优良的生物活性,随HA含量的增多,复合材料生物活性不断增强,Ni离子溶出速率减慢。生物学评价表明,多孔NiTi-HA复合材料对ROS1728成骨细胞显示出良好的细胞相容性,HA活性陶瓷与高的孔隙率以及大的孔隙可以诱导周围的成骨细胞在材料表面粘附增殖,甚至长入孔隙内部。细胞炎症因子评价表明材料与成骨细胞共培养两周后在成骨细胞粘附、增殖的过程中不会引起细胞炎症因子的表达。随多孔NiTi基体中HA陶瓷含量的增加,SPS制备多孔NiTTi-HA复合材料与相同孔隙参量的多孔NiTi合金相比,其强度和超弹性均有所降低。研究发现,过量增加热膨胀系数和导电系数与基体(Ni-Ti金属)相差很大的第二成分相(HA陶瓷)会改变在SPS过程中的电流路径和分布,不利于复合粉体的快速烧结成型。根据仿生多级结构设计,制备出径向梯度多孔NiTi-HA生物复合材料,材料中心为微孔的NiTi合金;外层为高孔隙参量的多孔NiTi-HA复合材料。材料的孔隙和元素均具有径向的梯度分布,中心与外层具有均匀的过渡界面。径向梯度复合材料与全孔的NiTi-HA复合材料一样,表现出优良的生物活性。材料在49%孔隙率和380μm的孔径下拥有与骨组织相匹配的弹性模量(16.9 GPa),其抗压强度(1300 MPa)和超弹性均远高于人骨和相同孔隙参量的NiTi-HA复合材料。径向梯度多孔材料同时包含了两种变形方式,随应力的传导出现了从中心结构的脆性断裂过渡到多孔结构的塑性剪切断裂,通过调整中心结构和外层多孔结构的比例可以起到调控该复合材料力学性能的作用。综上所述,本论文采用SPS结合造孔剂技术,优化了 SPS制备多孔NiTi材料的工艺,克服了 SPS制备多孔材料孔隙率低、孔隙特征不易控制和制备过程需要添加粘结剂的缺点,制备出高孔隙参量、高活性的多孔NiTi生物复合材料。并且根据仿生多级结构设计依据,通过孔隙结构和功能化元素设计,在高活性的前提下,实现高强、低模统一的径向梯度多孔NiTi-HA复合材料的制备。该材料能够同时拥有高的孔隙参量、良好的生物活性以及与人骨匹配的弹性模量和远高于人骨的强度和超弹性,有望为骨植入物、脊柱矫形医疗器械方面提供潜在的应用前景和意义。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG139.6;TB332

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本文编号：1544903