钛丝烧结制备医用多孔钛及其表面Si-HA生物活化

摘要

多孔钛的孔结构可以诱导骨组织向内生长，增加界面结合强度、促进体液在其中流动、加快骨修复进程，因此在骨修复领域有广泛的应用前景。本文以钛丝为原料制备多孔钛，采用理论设计和计算的方法给出了多孔钛毛坯孔隙度的计算公式，分析了各参数对毛坯孔隙度的影响。优化了多孔钛的最终成形和真空烧结工艺。研究了多孔钛压缩性能及变形过程，给出了压缩屈服强度与孔隙度之间的理论关系式。以含硅羟基磷灰石（Si-HA）热力学与动力学几率分析为基础，在钛及多孔钛表面仿生制备了Si-HA涂层，最后对该涂层的生物活性进行了体外细胞试验和动物体内植入试验评价。得到如下结果：
　　多孔钛毛坯孔隙度计算结果表明：调整钛丝直径dTi，最小螺旋直径D，以及螺旋升角θ1和θ2可以控制多孔钛毛坯的孔隙度。
　　多孔钛成形研究表明：采用双向成形和循环加压可以获得孔尺寸更均匀的多孔钛。获得的医用多孔钛的孔隙为三维螺旋结构，其孔隙度的范围为53％-72%，孔隙尺寸范围为150-600微米，开孔率为90%-100%。压缩屈服强度为160-60MPa，杨氏弹性模量为5-2GPa。
　　对多孔钛压缩过程的研究表明：孔隙度大于67%时，压缩过程分为三个阶段：弹性阶段、平台阶段和致密化阶段；孔隙度小于67%时，压缩过程只有弹性阶段和致密化阶段。
　　对多孔钛孔隙度与压缩屈服强度间关系的研究发现：随孔隙度增加，压缩屈服强度降低。孔结构弹性坍塌和塑性坍塌对压缩屈服强度均有贡献。引入参数f衡量弹性坍塌对压缩屈服强度的贡献，试验结果表明f=0.15，说明弹性坍塌对压缩屈服强度有15%的贡献，塑性坍塌对压缩屈服强度的贡献为85%。
　　研究了钛表面Ca(OH)2+NaOH混合碱-热处理工艺。结果表明通过混合碱处理在钛表面可引入Ca2+，处理后表面活化层呈网状多孔结构，物相主要为钙钛矿型CaTiO3和金红石型TiO2。同时研究发现表面含钙量、热处理温度和处理时间对表面活化层形态、物相及分布有影响。随着热处理温度和时间的增加，表面钛酸钙量增加，表面多孔结构被破坏，并且金红石逐渐变为短棒状。表面含钙量越高，钛酸钙越易于聚集成片且分布于表面。
　　采用SBF体外浸泡实验研究了各个因素对表面生物活性的影响，结果表明：主要的影响因素为热处理温度，其范围为580-600℃；表面含钙量影响次之，应保持在0.87at.%附近。在此基础上，成功地将混合碱—热处理工艺应用于多孔钛表面处理，获得了内外均匀的表面活化层。
　　热力学和动力学几率计算以及实验结果表明：当控制沉积液的pH值在7.0-8.0之间，SiO32-名义浓度小于5.0mM时，单相Si-HA优先生成。钛表面仿生制备的Si-HA涂层表面多孔，有珊瑚状凸起，涂层中的硅由内向外呈梯度分布；随着涂层平均含硅量增加，表面逐渐致密，涂层厚度减小。Si的引入增加了仿生Si-HA涂层与基体的剪切强度。将Si-HA涂层仿生制备工艺应用于多孔钛，获得了内外均匀的Si-HA涂层。
　　体外细胞实验结果表明：Si的引入增加了Si-HA涂层的生物活性并加速细胞的矿化进程。培养初期，不同硅含量的表面粘附的细胞数量没有显著差异；7天后0.50wt.%Si-HA涂层表面粘附的细胞明显多于其它硅含量的涂层（p<0.05），这表明0.50wt.%Si-HA表现出更好的生物相容性。
　　动物体内植入试验表明：Si-HA涂层可以诱导新骨沿涂层向骨髓腔内生长和向外生长（向肌肉方向），并且新骨与涂层的界面结合紧密，验证了Si-HA涂层具有良好的骨诱导性。

目录

钛丝烧结制备医用多孔钛及其表面Si-HA生物活化

BIOMEDICAL POROUS TITANIUM SINTERED BY TITANIUM WIRE AND ITS SURFACE Si-HA BIOACTIVATION

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 医用多孔钛的研究进展

1.2.1 骨组织的多孔结构

1.2.2 力学性能相容性

1.2.3 医用多孔钛的制备

1.3 多孔钛表面活化

1.3.1 表面活化方法

1.3.2 表面活化机理研究现状

1.3.3 多孔钛表面仿生制备磷灰石涂层

1.4 含硅钙磷生物陶瓷(Si-CaPs)

1.4.1 Si对生物体的影响

1.4.2 Si-CaPs的制备

1.4.3 Si-CaPs的生物活性

1.5 研究思路与研究内容

1.5.1 研究思路

1.5.2 研究内容

第2章 实验材料与方法

2.1 实验材料

2.2 实验仪器及设备

2.3 实验方法

2.4 组织结构观察与分析测试

2.5 孔隙度与开孔率测试

2.6 力学性能测试

第3章 钛丝烧结多孔钛的设计和制备

3.1 引言

3.2 钛丝烧结多孔钛的设计

3.2.1 多孔钛毛坯孔隙度设计及理论计算

3.2.2 多孔钛毛坯孔隙度影响因素的计算分析

3.3 钛丝烧结多孔钛的制备

3.3.1 螺旋结构成形

3.3.2 螺旋线的清洗与铺排

3.3.3 多孔钛毛坯的最终成形

3.3.4 多孔钛烧结工艺

3.4 本章小结

第4章 多孔钛压缩变形过程及性能

4.1 引言

4.2 多孔钛压缩变形过程及机制

4.2.1 弹性阶段

4.2.2 平台阶段

4.2.3 致密化阶段

4.3 多孔钛压缩性能与压缩力学模型

4.3.1 形状因子

4.3.2 压缩屈服强度

4.3.3 杨氏模量

4.4 本章小结

第5章 钛表面混合碱-热处理

5.1 引言

5.2 钛表面混合碱处理

5.2.1 混合碱处理后表面含钙量

5.2.2 混合碱处理理论模型

5.3 热处理

5.3.1 表面表征

5.3.2 体外生物活性评价

5.4 多孔钛的混合碱—热处理

5.5 本章小结

第6章 钛表面仿生制备含硅羟基磷灰石涂层

6.1 引言

6.2 热力学以及动力学几率分析

6.2.1 热力学分析

6.2.2 动力学几率分析

6.3 钛表面仿生制备Si-HA涂层实验研究

6.3.1 Si-HA仿生涂层制备过程pH值变化

6.3.2 仿生Si-HA涂层的表面表征

6.3.3 涂层结合强度

6.4 多孔钛表面仿生制备含硅羟基磷灰石涂层

6.5 本章小结

第7章 体外细胞实验与动物植入试验

7.1 引言

7.2 体外细胞实验结果

7.2.1 细胞形态观察

7.2.2 细胞增殖分析

7.3 动物植入试验结果

7.3.1 骨长入观察结果

7.3.2 结合界面

7.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历