微弧氧化膜层钛种植体骨内植入实验研究

摘要

目的：通过动物骨内植入实验，研究不同类型的微弧氧化(micro-arc oxidation，MAO)膜层钛种植体形成骨整合界面的生物力学、生物形态学和生物化学特性；为进一步探讨钛种植体表面微弧氧化改性工艺，寻找能够促进骨整合形成的种植体表面组成结构，继续研发新型表面种植体提供依据。 材料和方法： 种植体制备：微弧氧化膜层钛种植体分为以下三个实验组进行制备：①在含有钙离子、磷酸根离子的电解液中对光滑钛基体进行微弧氧化处理，使其表面生成含羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)的氧化钛膜层(HA/TiO<,2>，A组)；②在含有钙离子、磷酸根离子、锶(strontium，Sr)离子的电解液中对光滑钛基体进行微弧氧化处理，使其表面生成含锶羟基磷灰石的氧化钛膜层(Sr-HA/TiO<,2>，B组)；③在含有钙离子、磷酸根离子的电解液中对预先喷砂(sand blasting，SD)粗化处理的钛基体进行微弧氧化处理，使其粗糙表面生成含羟基磷灰石的氧化钛膜层(SD H/TiO<,2>，C组)。同时制备光滑钛种植体(Ti，D组)作为对照组。种植体表面理化特性分析：采用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)、光学轮廓仪、动态接触角(dynamic contact angle，DCA)测量仪、涡流测厚仪、万能力学试验机、能谱仪(energy dispersive spectrum，EDS)、X射线衍射仪(X-ray diffraction，XRD)分析种植体表面形貌、粗糙度、动态接触角、膜层厚度、膜层-钛基体结合强度、元素组成及物相结构。 种植体骨内植入实验：将实验组与对照组种植体(每组种植体16颗，4组共64颗)随机植入8条beagle犬双侧股骨内(每侧股骨植入4颗种植体)。手术后4周、8周分期处死动物获取骨-种植体标本并进行以下检测。①顶出试验(push-out test)反映骨-种植体界面结合强度；②SEM观察骨-种植体界面破坏模式；③显微计算机X线体层摄影(micro computed tomography，μ-CT)测试骨髓腔内种植体侧面新骨沉积率；④普通光镜观察脱钙骨切片，进行组织学描述；⑤电子探针微量分析仪(electron probe microanalyzer，EPMA)分析钙、磷、碳、钛、锶等元素在骨-种植体界面的分布模式。 结果：种植体表面理化特性分析：①表面形貌：A与B膜层形貌相似，表面分布有火山口状多级微孔结构，微孔直径0.5～10 μm，彼此之间存在三维贯通；C除了具有与A、B类似的多级微孔结构之外，还具有约30 μm直径的深坑；D表面相对光滑且存在规则划痕。②轮廓算术平均差(profile arithmetical mean deviation，Ra)表征表面粗糙度：Ra(A)=3.0 μm，Ra(B)=2.6 μm，Ra(c)=4.2 μm，Ra(D)=0.2 μm。③表面动态接触角：A、B接触角从起始35°于2 min内下降到低于30°；C接触角从起始20°于1 min内下降到低于10°，以至无法测量；D接触角则基本稳定在55°。④膜层厚度：T<,(A)>=21.3 μm，T<,(B)>=22.2 μm，T<,(C)>=20.4 μm。⑤膜层一钛基体结合强度：F<,(A)>=49.3MPa，F<,(B)>=48.5 MPa，F<,(C)>=46.0 MPa。⑥表面元素组成：A、c膜层主要由钛、氧、钙、磷、碳元素组成，B膜层元素组成还包括锶，而D表面则基本由钛元素组成。⑦表面物相结构：A、C膜层物相结构相似，主要为混杂的锐钛矿型与金红石型氧化钛以及少量HA成分；B膜层除了混杂的锐钛矿型与金红石型氧化钛外，还含有少量Sr-HA成分；D表面则基本为金属钛结构。 种植体骨内植入实验：①临床表现：所有beagle犬在处死前全身及局部健康状况良好，获取标本时发现种植体与骨结合稳固。②顶出试验：随着愈合周期延长，骨-种植体界面结合强度显著增高(p<0.05)。两个观察时间点，骨-种植体界面结合强度均表现为C>B>A>D，其中A与D、B与D、C与D、A与C、B与C之间差异具有统计学意义(p<0.05)。③骨-种植体界面破坏模式：界面破坏发生于膜层-新生骨界面或新生骨内部；且随着愈合周期的延长，界面破坏发生于新生骨内部的比例明显增加。对照组断面残存组织量较少，且主要是非胶原类基质成分及少量钙盐结晶；实验组断面残存组织量明显较多，且主要是簇状钙盐结晶附着包裹的胶原成分。实验组内部，A断面残存组织中胶原量较多，B断面残存组织中钙盐结晶附着和包裹得较为严密，而C断面残存组织中无论是胶原量还是钙盐结晶分布密度均显示为最高。④μ-CT影象：随着愈合周期的延长，骨髓腔内种植体侧面新骨沉积率有所增高。4周和8周时新骨沉积率均表现出C>B>A>D的趋势。⑤组织学描述：随着愈合周期的延长，种植体表面骨组织越来越成熟。皮质骨区域，实验组较对照组种植体表面骨组织更快成熟；骨髓腔区域，实验组种植体表面新骨沉积较对照组更多、更成熟，尤其是C种植体。⑥骨-种植体界面元素分布模式：钛向组织内有扩散现象，但扩散局限于种植体表面紧密接触组织内；实验组扩散范围较对照组为窄，实验组内部各组扩散范围类似。同时，周围组织内钙、磷、碳等元素也同时向种植体表面扩散；实验组扩散范围较对照组为宽，实验组内部各组扩散范围类似。 结论： ①本课题采用微弧氧化工艺制备的含羟基磷灰石氧化膜层钛种植体、含锶羟基磷灰石氧化膜层钛种植体，以及采用喷砂-微弧氧化复合工艺制备的高粗糙度含羟基磷灰石氧化膜层钛种植体，与光滑钛种植体相比，具有更快的骨-种植体界面愈合速度、更强的骨-种植体界面结合强度以及较低的钛离子扩散水平。 ②采用喷砂-微弧氧化复合工艺制备的高粗糙度含羟基磷灰石氧化膜层钛种植体，与单纯采用微弧氧化工艺制备的含羟基磷灰石氧化膜层钛种植体相比，能够进一步提高种植体表面形成骨整合的能力。

目录

文摘

英文文摘

前言

第1章钛种植体微弧氧化膜层制备及其理化性能研究

1.1材料与方法

1.2结果

1.3讨论

第2章微弧氧化膜层钛种植体骨内植入实验研究

2.1材料与方法

2.2结果

2.3讨论

全文结论

参考文献

附图1

附图2

附图3

英文缩略词表

论文录用证明

致谢

原创性声明