多孔钛合金表面HA涂层改性及大动物体内骨修复研究

发布时间：2018-04-05 23:25

  本文选题：多孔钛合金　切入点：骨长入　出处：《第四军医大学》2016年博士论文

【摘要】：研究背景创伤,肿瘤及退行性变等原因造成的骨组织缺损的修复是骨科医生临床工作的难点问题。尽管自体骨移植一直是骨组织修复的金标准,但由于受限于取骨量和供区损伤等因素,自体骨移植无法完全满足临床的需求。随着材料科学和制备技术的发展,人们努力实现用人工骨材料替代自体骨材料,近年来已有多种人工骨移植替代材料用于临床,解决了许多临床问题。然而,在承重部位,单纯使用生物活性陶瓷等可降解人工骨材料难以满足力学的要求。有研究者试图采用多孔金属材料(如多孔钽股骨头支撑棒和多孔钛椎间融合器等)来满足骨填充修复和力学稳定要求,但单纯金属材料的惰性特性使骨长入出现障碍。因此研发一种既具有良好的骨修复能力,同时又具有较高的机械强度的新型人工骨移植替代材料将对临床问题的解决起到促进作用。本研究利用先进的3D金属打印技术—电子束熔融技术(Electron Beam Melting,EBM),通过精确控制材料内部孔隙结构,在保证机械强度的前提下制备出弹性模量与骨组织更加匹配的多孔钛合金材料,通过等离子喷涂技术在多孔钛合金金属小梁表面构建具有生物活性的羟基磷灰石(Hydroxyapatite HA)涂层,由此将金属材料的高机械强度和生物活性陶瓷的骨传导特性有机结合,力争实现承重部位骨修复替代材料的应用要求。目的1.通过EBM技术设计制备具备高孔隙率、大孔径、力学性能与骨组织相匹配的多孔钛合金植入棒,检测评价其孔隙结构和力学性能;2.应用等离子喷涂技术在多孔钛合金植入棒金属骨小梁表面复合HA涂层,检测其表面特征,评价涂层制备效果;3.采用羊股骨髁骨缺损修复模型,评价复合HA涂层的多孔钛合金植入棒和未复合涂层的多孔钛合金植入棒两种材料的骨长入及骨整合效果,对比研究等离子喷涂HA涂层后能否改善多孔钛合金材料的骨长入和骨整合能力。方法1.多孔钛合金植入棒的制备和检测:采用CAD软件Materialise/MagicsTM设计建立多孔钛合金植入棒的三维模型,将模型数据导入EBM设备,通过计算机控制逐层熔融Ti6Al4V粉末,最终制备出内外结构与设计相同的多孔钛合金试样,通过微计算机断层扫描及力学检测,对制备的多孔钛合金植入棒的结构和力学性能进行检测分析;2.多孔钛合金植入棒的表面处理:采用等离子喷涂技术在制备好的多孔钛合金植入棒金属骨小梁表面制备HA涂层,通过电子显微镜扫描、能谱分析、激光共聚焦显微镜等设备和方法对复合HA涂层及未复合涂层的两种多孔钛合金植入棒进行表面特征检测;3.大动物骨埋植实验:在6只雌性成年小尾寒羊双后肢股骨远端外侧髁部建立直径10mm,深度20mm的圆柱形骨缺损模型,随机植入复合HA涂层的多孔钛合金植入棒及未复合HA涂层的多孔钛合金植入棒,术后2个月、4个月取材,影像学和组织学方法评价,对照研究两种植入棒孔隙内新骨长入和材料界面骨整合情况。结果1.多孔钛合金植入棒制备及表面HA喷涂结果采用EBM制备的多孔钛合金植入棒具备较高的孔隙率(69±5%),三维贯通的孔隙结构,孔径为514±35μm,金属小梁直径为238±23μm。力学检测结果显示,其压缩强度为90±2MPa,弹性模量为3.2±0.3GPa。能谱分析显示,等离子喷涂HA涂层后,多孔钛合金浅层金属小梁表面具备Ca、P等活性元素,但材料深部金属小梁表面仍存在Ti、Al等基体元素。激光共聚焦显微镜检测显示复合HA涂层的多孔钛合金表面(Ra值8.45±0.80μm)较未涂层的多孔钛合金更粗糙(Ra值4.95±1.26μm)。2.大动物骨内埋植后新骨长入和骨整合结果取材标本Micro-CT检测发现,不同时间点两种材料周围均可见新生骨生成,2个月时,HA涂层组的骨体积分数(9.32±0.72%)显著高于单纯多孔钛合金材料组(5.13±1.73%),4个月时,HA涂层组材料内部的骨体积分数增加到了(17.68±3.49%),远高于单纯多孔钛合金材料组(6.29±2.11%)。组织学结果显示,术后2个月,HA涂层组的矿化骨面积百分比(8.26±0.35%)显著高于单纯多孔钛合金材料组(5.40±1.51%),术后4个月,HA涂层组的矿化骨面积百分比显著升高(19.78±1.46%),明显高于单纯多孔钛合金组的矿化骨面积百分比(5.70±0.85%),两者间存在显著差异(P0.05)。结合Micro-CT和组织学结果可以发现:HA涂层组的材料内部骨长入量在两个时间点均高于单纯多孔钛合金组,等离子喷涂制备HA涂层对于促进周围骨组织长入多孔钛合金材料内部有明显促进作用。组织学观察可见,未复合HA涂层的多孔钛合金植入物与周围的骨组织之间存在缝隙,复合HA涂层的多孔钛合金材料与新生的骨组织结合紧密,表现出良好的骨整合能力。结论1.EBM制备的多孔钛合金植入棒在孔隙结构和力学性能两方面均能达到设计要求;2.等离子喷涂技术可以在多孔钛合金植入棒金属骨小梁表面构建活性HA涂层;3.大动物体内埋植实验显示,复合HA涂层的多孔钛合金植入棒在材料内部的新骨长入量和材料与骨之间的骨整合效果均优于未复合HA涂层的多孔钛合金植入棒;4.表面喷涂HA的多孔钛合金材料有望成为结构性骨缺损理想的修复替代材料。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R687;R318.08

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本文编号：1716973