激光快速成形技术制作纯钛植入材料的实验研究

摘要

LRF技术与传统金属加工技术相比具有显著的优势。为了详细了解LRF技术用于纯钛植入材料制作的可行性，本研究利用LRF 技术制作了纯钛植入材料，并对LRF Ti的物理机械性能、生物安全性、生物相容性和耐腐蚀性进行了评价。 第Ⅰ部分LRF Ti的制备和相关机械性能评价 选用合适的工艺参数制作LRF Ti材料，选用的激光成形工艺参数为：激光功率：2700W；光斑直径：3mm；光束扫描速度：500mm/min；保护气体是氩气：载粉气流量250L/h，约束气流量5～7.5L/min，送粉速度4.2g/min。 采用多道搭接Z 向生长方式成形，成形过程层高0.5mm。然后根据国家标准测试LRF Ti材料的机械性能、显微硬度和疲劳强度，并对材料的化学成分和组织结构进行观察和分析，对LRF Ti用作植入材料的生物力学相容性进行评价。 结果：按照国家标准GB/T 228-2002进行拉伸实验，LRF Ti试样的抗拉强度（475 Mpa）、屈服强度（383MPa）均高于GB/T 13810-1997 中TA2 纯钛板材的标准(440MPa、320 Mpa)，特别是延伸率，LRF Ti试样达到27％，远高于医用TA2 延伸率标准中18 ％的规定。试样的氧含量(0.083％) 低于YY0315-1999 标准中TA1、TA2 的氧含量(0.15％、0.25％)。从拉伸断面扫描电镜照片可以看出断面主要为大小不一的韧窝，可以判断为典型的韧性断裂。 杨氏模量(103.7GPa)稍低于TA2 的弹性模量(108 Gpa)。扫描电镜（SEM）微观组织照片显示LRF Ti的微观组织结构均匀，无气孔、裂纹等缺陷；α和β相相互交织成网篮状组织。显微硬度值(188.4～206.3)稍高于CP Ti（TA2）的显微硬度值（166.3～181.9）。LRF Ti在室温下循环107次时的疲劳强度极限是250－275MPa，高于TA1 的193 Mpa和TA2 的230 Mpa。 结论：利用纯钛粉末通过LRF 技术制备了规格为90mm×30mm×15mm、外表规则光滑、亮白色、低氧含量（0.083％）的LRF Ti 试样。LRF Ti 试样具有更好的生物力学相容性，机械性能满足牙科植入物用纯钛材的要求，符合生物医学硬组织替代材料的标准。 第Ⅱ部分LRF Ti 的生物安全性评价 本研究按照标准GB/T 16886.5-2002、YY/T 0279－1995、YY/T 0127.1－93、YY/T 0127.2-93，分别从细胞毒性试验、口腔粘膜刺激试验、溶血试验、急性全身毒性试验和骨内植入试验等方面，综合评价LRF Ti 的生物安全性。 结果：LRF Ti 的细胞毒性测试结果为0 级，材料缝合处动物口腔颊囊粘膜无病理反应，即对粘膜无刺激反应。溶血率为2.68％，小于5％，不会引起急性溶血。将LRF Ti 材料浸提液注射入动物体内，每组动物在不同时间段的体重变化无显著性差异（P>0.05），在72h 的观察期内，无急性毒性症状出现。骨内埋植试验结果可见种植体与骨组织接触紧密，周围骨组织无吸收现象。种植体表面有骨陷窝和骨组织形成，周围骨组织内的成骨细胞和成纤维细胞的细胞突向种植体表面伸出，LRF Ti 和CP Ti 种植体没有明显差别。 结论：LRF Ti 具有优良的生物安全性。 第Ⅲ部分LRF Ti 的生物相容性评价 通过比较LRF Ti 和CP Ti 表面的接触角和表面能、小鼠颅骨成骨细胞在试样表面的附着动力学、成骨细胞碱性磷酸酶活性以及细胞在试样表面的形态，评价LRF Ti 材料的生物相容性。 结果表明：LRF Ti 的表面能大于CP Ti。在成骨细胞培养的初期，两者的细胞增殖速度无差异；随着细胞培养时间的延长，LRF Ti 组的成骨细胞增殖速度快于CP Ti 组，碱性磷酸酶的活性增加；细胞形态显示细胞功能活跃，活性增加。 结论：LRF Ti 能够刺激成骨细胞的增值生长，具有良好的生物相容性。 第Ⅳ部分LRF Ti 的耐腐蚀性能评价 根据国家标准，通过对比观察LRF Ti 和医用钛及钛合金在不同溶液中的金属离子析出情况、应力加载下的耐腐蚀情况，以及氟离子和pH 值对电化学行为的影响等，评价LRF Ti 材料的耐腐蚀性能。 结果：在人工唾液、乳酸、2％NaF人工唾液（PH=7）和2％NaF人工唾液（PH=3）中，LRF Ti的钛离子析出量分别是62ng/ml、302ng/ml、24.7μg/ml和156.7μg/ml，低于CP Ti的66.1ng/ml、353ng/ml、33.1μg/ml和295.7μg/ml。 氟与钛表面的氧化膜反应形成腐蚀产物Na3TiF6；在2％NaF人工唾液（PH=3）中，钛离子的析出量最大。在应力和氟离子的共同作用下，CP Ti的腐蚀程度比LRF Ti严重。在人工唾液、2％NaF人工唾液（PH=7）和2％NaF人工唾液（PH=3）中，LRF Ti的自腐蚀电位分别为－469mV、－925mV和－943mV，均高于CP Ti的－555mV、－943mV和－956mV；自腐蚀电流密度分别为2.14×10-6 Acm-2 、2.65×10-6 Acm-2 和4.51×10-6 Acm-2 ，均小于CP Ti 的2.18×10-6Acm-2、4.49×10-6Acm-2和6.63×10-6Acm-2；膜电阻（2.77×106?cm2、3.41×105?cm2和4.3×104?cm2）和传递电阻（6.71×104?cm2、2028?cm2和4.4×103?cm2）分别高于CP Ti的膜电阻（1.42×106?cm2、6.65×104?cm2和16.93?cm2）和传递电阻（236.9?cm2、44.1?cm2和2.56×103?cm2）。 结论：pH 值的降低和溶液中氟离子的存在能够加速钛离子的释放。在人工唾液和含氟溶液中LRF Ti 耐电化学腐蚀和耐应力腐蚀性能比CP Ti 好。