表面状态对微弧氧化纯钛种植体生物学性能的影响研究

发布时间：2018-12-11 20:57

【摘要】：生物材料是一个多学科交叉的前沿研究领域,是国民经济和社会发展中的重要科技问题,已成为国内外研究的热点之一。作为生物材料的典型代表,牙种植体材料成为目前临床和科研最为关注的焦点领域。种植体的表面处理方式对于提高种植成功率起着至关重要的作用。目前市场上各类产品的种植体表面处理方式多种多样,不同的处理方法均具有其各自的优缺点,但其共同的目标是形成粗糙表面,使其具有更好的骨结合能力和生物活性。种植体表面特性是直接影响骨整合过程骨结合率的主要因素之一,对于提高种植体的成功率有十分重要的意义和临床价值。多年来学者们也一直在努力找寻最佳种植体表面处理方式,以达到最佳的种植体-骨结合界面。早期学者提出的机械表面处理的钛种植体有植入早期难与组织形成化学结合、骨结合形成慢、愈合期较长等诸多缺点。故目前口腔种植体表面处理方式的研究热点是采用不同处理工艺改变种植体表面的物理和化学性质,促进种植体早期形成骨结合,从而保证种植体的长期功能。纯钛种植体表面微弧氧化复合喷砂酸蚀处理,是指通过改变表面处理工艺条件设计,调整氧化膜的结构、元素组成及生物特性,从而实现膜层的最佳的生物学效果。该技术还具有工艺简单、经济环保等特点,值得进一步论证并应用于临床广泛推广。为此本文拟在以下几方面开展研究：材料和方法：第一部分：不同表面处理纯钛试样的制备及理化性能研究喷砂：把一定颗粒度的Al203磨粒用1010型普压干式喷砂机高速喷射至打磨制备的TA2纯钛试样表面,影响喷砂纯钛基体表面性能的主要工艺参数有：磨粒尺寸为200μm,气体压力为0.9bar,气体流速为210m/min,喷射角度为70。,喷口距离为15cm。酸蚀：用氢氟酸HF和盐酸HCl的混合酸溶液腐蚀TA2纯钛基体表面,影响酸蚀处理表面性能的主要工艺参数有：氢氟酸浓度为40%,盐酸浓度为38%,混合溶液中HF和HCl比例为6：4,腐蚀溶液总体积为40ml,酸蚀温度为25℃,酸蚀时间为100min。微弧氧化：是采用较高的工作电压,将工作区域由普通的阳极氧化法的法拉第区域引入到高压放电区域,在铝、镁、钛等金属表面原位生成氧化物陶瓷膜的方法。其中电极电压为500V,电极频率为550Hz,氧化温度小于40℃,氧化时间为18min,电解液中CH3COO)2Ca·H20浓度为30mmol/L,为10mmol/L, NaOH为8mmol/L, 由于微弧氧化的形成是非常复杂的过程,受多方面因素的影响和调控。本课题前期实验已优化出一套工艺参数,本实验在此工艺参数的基础上结合喷砂与酸蚀处理,将实验对象分为：单纯微弧氧化、喷砂结合微弧氧化、酸蚀结合微弧氧化、喷砂加酸蚀结合微弧氧化四组,并对各组处理表面分别从表面形貌、能谱分析、膜层厚度、表面粗糙度、膜层结合强度等方面加以表征分析。第二部分：不同表面处理纯钛试样的体外细胞相容性研究将TA2纯钛用数控线切割机床CNC加工成圆柱形试样。加工为高度3.0mm,底面直径为8.0mm。采用200～1000#的金相砂纸将样本逐级打磨,样本经打磨后将其置于60-80℃氢氧化钠溶液进行去油处理,浸泡时间为5min。采用去离子水将试样清洗干净,并置于盐酸及硝酸混合溶液中浸泡10～15s,充分去除金属表明陈旧的氧化层,然后采用去离子水将金属置于常温下干燥。将样品分为如下四组：单纯微弧氧化、喷砂结合微弧氧化、酸蚀结合微弧氧化、喷砂加酸蚀结合微弧氧化。此四组试样分别与ST2细胞系共培养,通过SEM观察、细胞毒性检测、ALP活性检测、骨钙素含量检测等,分析细胞的增殖、粘附、分化情况,对比分析四组不同表面处理的纯钛种植体生物相容性。第三部分：不同表面处理纯钛试样的动物体内生物学评价将TA2纯钛用数控线切割机床CNC加工成圆柱形试样。加工为高度10.0mm,底面直径为3.0mm。采用200～1000#的金相砂纸将样本逐级打磨,样本经打磨后将其置于60-80℃氧化钠溶液进行去油处理,浸泡时间为5min。采用去离子水将试样清洗干净,并置于盐酸及硝酸混合溶液中浸泡10-15s,充分去除金属表明陈旧的氧化层,然后采用去离子水将金属置于常温下干燥。将样品分为如下四组：单纯微弧氧化、喷砂结合微弧氧化、酸蚀结合微弧氧化、喷砂加酸蚀结合微弧氧化。分别将纯钛试样植入新西兰大白兔双侧股骨内,在愈合4w和8w时取出标本,通过顶出试验、骨与种植体接触率,计算骨种植体周围骨量及骨质测量,评价喷砂酸蚀后微弧氧化处理种植体骨结合强度的情况,并从组织形态计量学上研究喷砂酸蚀后微弧氧化处理种植体的促成骨特性。结果：第一部分：不同表面处理纯钛试样的制备与表征表面粗糙度：纯钛基体的表面粗糙度Ra值是0.2μm。而经过微弧氧化工艺过程的处理表面,其Ra值变成0.8μm。经过微弧氧化处理后表面粗糙度的增大则主要是微弧氧化膜上孔洞出现引起的。喷砂纯钛基体微弧氧化膜的微观粗糙度Ra为1.4μm,粗糙度略大于只经过微弧氧化处理的样品。酸蚀纯钛基体微弧氧化处理的试样微弧氧化膜微观粗糙度Ra测定为1.7gmm,也比只经过微弧氧化处理的样品粗糙度大。而经过喷砂+酸蚀双重处理的纯钛基体微弧氧化膜的粗糙度达到了2.2μm,表明喷砂和酸蚀处理对微弧氧化膜的粗糙度都有了显著增加,表观上则表现为氧化膜上较多均匀的孔洞的出现。膜层厚度：单纯微弧氧化的样品微弧氧化膜厚度为37.2μm；喷砂纯钛基体微弧氧化膜稍薄,为28.3μm；而酸蚀纯钛基体微弧氧化膜厚度能达到40.2μm；经过喷砂+酸蚀双重处理的纯钛基体微弧氧化膜厚度最厚,为43.1μm。不同处理对样品表面产生不同影响,因此得到不同厚度的氧化膜结合强度：单纯微弧氧化处理的试样氧化膜载荷为20.7N。而喷砂试样氧化膜载荷较未处理的试样稍大,为23.2N,酸蚀基体微弧氧化膜临界载荷达到27.9N,即酸蚀纯钛基体微弧氧化膜结合强度高于喷砂和未处理试样的结合强度。而经过喷砂和酸蚀处理的微弧氧化膜临界载荷最高,为31.2N。接触角：测试结果如下,蒸馏水液滴在未处理纯钛基体微弧氧化膜表面的接触角是82.9°,喷砂纯钛试样微弧氧化膜表面的接触角是76.7°,在酸蚀试样微弧氧化膜表面的接触角是69.3°,喷砂和酸蚀双处理试样微弧氧化膜的表面接触角为63.2°。第二部分：不同表面处理纯钛试样的体外细胞相容性研究细胞毒性检测：根据MTT法测定的OD值计算相对增殖率(RGR),细胞相对增殖率RGR%=OD试验组/OD阴性对照组X100%.根据不同时期各组RGR值进行细胞毒性分级(CTS)。由本实验结果可知：四组改性后纯钛种植体浸提液与阴性对照组比较均无差异显著(P0.05),CTS分级均为0级,说明本研究所采用的纯钛种植体无毒性,符合《医疗器械生物学评价国家标准GB/T16886.1—2001》中对材料细胞毒性的要求。细胞粘附结果：扫描电镜2500倍视野下可见：单纯微弧氧化组ST2细胞平铺于多孔钛种植体表面,细胞呈长梭形或多边形,伪足扁平,铺于表面；酸蚀+微弧氧化试样组：细胞多呈长梭形,细胞体位于酸蚀的一级空洞内,两端伪足呈扁平样附着于微弧氧化形成的微型空洞内；喷砂+微弧氧化试样组：细胞多呈不规则多边形,平铺于处理后的粗糙表面,伪足和触角突出附着在微弧氧化形成的二级空洞内；喷砂+酸蚀+微弧氧化试样组：可见细胞呈不规则形,铺展良好,胞体嵌入喷砂+酸蚀形成的一级空洞内,多个细胞突起深入微弧氧化形成的类骨小梁样结构内,牢固附着。细胞增殖结果：根据ST2接种到试样表面1、3、5、7天试样表面的细胞数量变化差异可了解试样对细胞增殖功能的影响。实验结果可见：随时间的增加,各组细胞计数均增高；同一时间点,微弧氧化组、喷砂+微弧氧化组、酸蚀+微弧氧化组及喷砂+酸蚀+微弧氧化组OD呈现逐渐升高趋势,除喷砂+微弧氧化组、酸蚀+微弧氧化组外,组间差异显著(P0.05)。细胞分化结果：培养3天后,微弧氧化组、喷砂+微弧氧化组、酸蚀+微弧氧化组ALP活性差异无显著性(P0.05),喷砂+酸蚀+微弧氧化组细胞ALP活性升高,组间比较差异显著(P0.05)。培养5天后,微弧氧化组、喷砂+微弧氧化组、酸蚀+微弧氧化组ALP活性差异无显著性(P0.05),喷砂+酸蚀+微弧氧化组细胞数量组ALP活性升高,组间比较差异显著(P0.05)。培养7天后,趋势同前。第三部分：不同表面处理纯钛试样的动物体内生物学评价影像学检查：X线片检查结果显示：种植体植入方向垂直于股骨表面,种植体两端侧穿骨壁。同时,植入区域未发生骨折等异常现象。顶出实验：在4周、8周测试时间点,骨-种植体界面抗剪切强度表现为D组B组C组A组,D组骨-种植体界面抗剪切强度最高,较其它各组间差异有统计学意义(P0.05),试验组中B组与C组差异无统计学意义(P0.05),A组骨-种植体界面抗剪切强度最低,较其它各组间差异有统计学意义(P0.05) 组织学检查：硬组织切片实验发现,酸蚀+微弧氧化组与组喷砂+微弧氧化组)钛种植体周围骨结合情况相近,两组的BIC分别为58.74±6.57%、51.09±6.39%,两组之间无明显区别。单纯微弧氧化组中BIC明显降低,为30.13±6.14%,与之相反,喷砂+酸蚀+微弧氧化组BIC明显升高,为77.49±4.96%。结论 1.喷砂+酸蚀+微弧氧化处理的纯钛表面比其他三组具有最大的粗糙度,最高的膜层结合强度和相对最好的浸润性,推测其具有最高的生物活性。 2.喷砂+酸蚀+微弧氧化处理的纯钛表面的生物相容性明显优于其他三组。 3.喷砂+酸蚀+微弧氧化处理的纯钛表面种植体的骨结合速度及成骨能力明显优于其他三组。
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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R783.6

【参考文献】