个性化表面功能化金属材料应用于骨修复的研究

发布时间：2020-06-21 14:03

【摘要】：背景和目的我国每年仅用于骨科、口腔科的内植入器械市值约超过200亿元,而针对复杂的硬组织形态与功能异常,目前的标准植入器械无法准确重建和修复,亟需研发个性化植入器械。传统的植入假体材料如不锈钢、钛合金本身不具备特异性的生物学功能,骨传导与骨诱导能力低,且不具备与病损部位相匹配的几何外形和力学性能,不能有效地实现骨组织的再生修复。因此,若能研发兼具个性化形态结构和生物功能的植入器械,有望极大地提高骨修复的治疗效果。内容与方法本论文根据临床骨修复的需要,我们希望通过3D打印技术和表面功能化改性技术制备可以满足不同病人或疾病治疗中对植入器械内部结构、力学性能、尤其是生物学功能的个性化需求,旨在提高骨修复的治疗效果,主要分为两部分:第一部分:利用金属3D打印技术制备具有个性化空间结构的多孔钛合金支架,研究孔隙结构对支架力学和生物学性能的影响,最后对支架进行表面功能化改性,利用真空蒸镀法制备可降解镁金属涂层,研究镁涂层的降解行为和成骨性能。第二部分:在可降解镁合金材料表面制备唑来膦酸/钙磷复合功能涂层,整合镁促成骨和唑来膦酸抑制破骨的生物学功能,制备用于骨质疏松性骨折修复的个性化植入器械,研究其药物释放规律、生物学效应、降解行为和骨折干预效果及机制。结果金属3D打印技术可以制备具有梯度孔隙大小(300~400μm、400~500μm以及500~700μm)的多孔钛合金支架,力学实验和体内、外实验结果表明孔径大小为300~400μm的多孔钛合金支架具有最优力学和生物学性能,通过促进骨髓间充质干细胞的黏附及成骨分化,可以获得满意的山羊跖骨大段骨缺损的修复效果。对支架进行镁涂层表面改性后,体内、外实验结果表明可以进一步地提高成骨性能。利用表面功能化改性技术在镁合金表面制备唑来膦酸/钙磷复合功能涂层,体内、外实验结果表明,该复合材料具有可控、均匀的降解模式,可以实现药物的缓慢释放,在体外其降解产物具有促进骨质疏松大鼠骨髓间充质干细胞成骨分化的能力,同时,还具备抑制鼠破骨细胞形成的能力;在体内可以促进软骨化骨过程中新生软骨的生成和抑制骨痂改建期破骨细胞的形成,提升骨痂力学强度和骨折愈合质量,并满足骨折愈合所需的力学支撑。结论我们利用金属3D打印技术和表面功能化改性技术,制备了用于复杂骨缺损或骨质疏松性骨折修复的个性化表面功能化多孔钛合金支架或镁合金复合材料,为骨修复的理论研究和临床治疗提供了崭新的思路和方法。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;R68
【图文】：

合金支架,多孔钛,孔径大小,CAD模型

上海交通大学博士学位论文利用 CAD 软件设计三种不同孔径大小的多孔钛合金支架模型，设计孔径大小分别为 300~400μm、400~500μm 以及 500~700μm，多孔结构单元采用钻石结构，如图 1a 所示。将 CAD 模型输入 EBM 系统，利用 Arcam A1 金属打印机制备不同孔径大小的多孔钛合金支架。电子束能量设定为 300W，平均打印温度约680°C，扫描速度为 400mm/s，打印过程中采用氦气保护。另外，采用 EBM 技术制备相同外形大小（高度 2mm；直径 10mm）的实心支架作为后续体外实验的对照组。采用重量法测量不同孔径大小多孔钛合金支架的孔隙率，孔隙率=（实心支架重量-多孔支架重量）/实心支架重量×100% [15]。采用 Image J 1.48 软件分析多孔钛合金支架的实际孔径大小。

外形图,合金支架,多孔钛,孔径大小

上海交通大学博士学位论文1.3 结果1.3.1 EBM 技术可以完成梯度孔径大小多孔钛合金支架的制备图 2 所示为通过 EBM 技术制备的实心钛合金支架以及不同孔径大小（300~400μm、400~500μm 以及 500~700μm）的多孔钛合金支架实物图。由图中可见，通过 EBM 技术可以完成以上设计孔径大小的多孔钛合金支架的制备，各多孔组表面均可以形成孔洞结构。

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