Ti6Al4V多孔融合器的结构设计制备及表面改性研究

摘要

椎间融合术是目前治疗腰椎退变的主要手术方式，手术通过植入融合器恢复并维持椎间高度，降低腰椎退变节段椎间盘对神经根的压迫。钛合金(Ti6Al4V)融合器由于具有良好的耐腐蚀性及生物相容性已被广泛应用多年并取得了良好的临床效果，但其过高的刚度具有一定的应力遮挡效应，阻碍了填充骨与邻近节段椎骨的融合，并且容易引发融合器沉降等问题。此外，钛合金表面生物惰性对术后的融合效果也具有一定的负面影响，降低钛合金融合器的刚度并提高其表面生物学性能对提高融合术治疗效果具有重要意义。因此，本论文分别从钛合金融合器的生物力学影响仿真分析、多孔融合器的优化设计及增材制造、多孔融合器的后处理及生物学性能提高等方面开展研究，研究的主要内容及结果如下:　　首先，为了分析融合器刚度对人体腰椎的生物力学影响，本研究基于人体腰椎CT数据，逆向构建了人体全腰椎L1-L5节段有限元模型。通过对比椎间活动度和髓核内压等验证其有效性后，构建经椎间孔椎间融合术(TLIF)手术模型，对比分析了不同刚度的融合器的生物力学影响差异。结果表明，在钛棒固定下，不同刚度的融合器在对腰椎非手术节段和后路固定装置的力学影响没有明显区别，但和骨性终板刚度更为接近的融合器不仅能够降低融合器的峰值应力，并且能够提高填充骨的应变能密度和降低骨性终板的峰值应力，从而降低了融合器的应力遮挡效应和沉降的风险。从生物力学角度，和骨性终板刚度更为接近的融合器能够降低融合器的应力遮挡效应和沉降的风险。　　其次，研究提出了一种钛合金多孔融合器多尺度拓扑优化设计方法，目的是设计并制备出与骨性终板刚度相近的钛合金多孔融合器。首先通过SLM成型钛合金实体试件的压缩试验获取基本力学性能，之后分别基于均匀化方法和基于压缩载荷两种拓扑优化方法，设计出了相同体积分数但不同拓扑形貌的两种微单元，基于压缩载荷方法获取的微单元具有更好的弹性力学性能及渗透性能，因此被选为多孔融合器的基本单元，进一步通过宏观拓扑优化设计出框架结构并构建最终的多孔融合器。构建用于分析多孔融合器生物力学影响的TLIF手术模型，证实了设计的钛合金多孔融合器能够降低融合器应力遮挡效应和沉降的风险。SLM成型多孔融合器的拓扑结构与设计相近，但表面具有大量影响形貌的钛粉颗粒，多孔结构试件压缩弹性力学性能接近但略高于设计值，融合器与聚氨酯复合压缩试验证实了SLM成型钛合金多孔融合器能够降低融合器沉降风险。　　然后，为了去除SLM成型钛合金多孔融合器表面的钛粉颗粒，研究提出了一种流动酸蚀后处理方法。通过搭建流动酸蚀平台对SLM成型钛合金多孔结构试件进行后处理，分析酸蚀时间对后处理效果的影响。研究发现，相比于普通浸泡酸蚀，流动酸蚀75s就可以均匀、快速的去除多孔结构试件所有表面的钛粉颗粒，流动酸蚀90～105s使多孔结构试件的压缩弹性力学性能更加接近设计性能，并且流动酸蚀明显降低了试件重量并提高了试件的渗透率。细胞实验和动物实验表明，流动酸蚀处理后的钛合金多孔结构试件表面生物学性能优于含有钛粉颗粒的多孔结构试件。最后，将该方法应用于SLM成型多孔融合器的后处理，成功去除了融合器微单元及框架结构表面的钛粉颗粒。　　最后，为进一步提高SLM成型钛合金多孔融合器表面的生物学性能，在流动酸蚀去除多孔结构试件表面钛粉颗粒并形成一定微米级结构的基础上，进一步通过阳极氧化反应在多孔结构试件表面构建了均匀的TiO2纳米管。结果表明，该方法保留了多孔结构试件原有的弹性力学性能及表面形貌，细胞实验和动物实验表明多孔结构试件表面均匀的微纳双级结构能够进一步提高其生物学性能。将该方法应用于多孔融合器，在保证多孔融合器原有的力学性能的同时，成功地在多孔融合器微单元和框架结构的表面上构建了微纳双级结构。

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