生物力學(xué)相容多孔鈦的表面活化及與骨界面結(jié)合研究.pdf

1、金屬鈦及鈦合金由于其良好的生物相容性，高的力學(xué)強(qiáng)度，已大量用于承力部位的骨修復(fù)替換，取得了巨大的成功，但是植入體與宿主骨的固定仍然是一個問題。一方面植入體與骨之間不能形成生物活性結(jié)合而導(dǎo)致植入體．骨界面結(jié)合松動，另一方面由于材料的楊氏模量與宿主骨組織的不匹配，由此引起骨組織不能夠受到足夠的加載而產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致植入體松動。解決的一種方法就是在材料表面或整體引入孔隙使骨組織長入多孔基體，用這種方式使植入體和宿主骨產(chǎn)生結(jié)合，形成生物固定。同

2、時，通過控制孔隙率，植入體的彈性模量可以調(diào)整到與骨組織近似匹配，從而減少應(yīng)力屏蔽的問題。最后，如果孔是連通的，大量的體液能夠在多孔基體中傳輸，由此引發(fā)骨向內(nèi)生長。這種生物力學(xué)相容多孔鈦可能成為用于承力部位骨修復(fù)最有廣闊應(yīng)用前景的生物材料之一。 本文在前期制備出具有不同彈性模量的多孔鈦的基礎(chǔ)上，通過體內(nèi)骨植入實驗，研究了孔隙率對植入體與骨之間結(jié)合能力的影響，并比較了它們的組織反應(yīng)。結(jié)果表明，由于多孔結(jié)構(gòu)的引入，引導(dǎo)更多的骨組織長入

3、植入體表面和內(nèi)部孔中，植入體與骨界面的接觸面積大大增加，加之骨和多孔孔隙之間的機(jī)械嵌合作用，有效地提高了植入體與骨之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)了植入體與骨之間的穩(wěn)定性，這種界面結(jié)合能力隨孔隙率增加而增加。但過高的孔隙率降低材料強(qiáng)度，選擇特殊目的使用的骨修復(fù)植入體必須在材料強(qiáng)度和剛度之間找到合適的平衡來使之與骨的力學(xué)行為匹配?；蜻M(jìn)一步優(yōu)化材料表面使植入體表面具有生物活性，能夠誘導(dǎo)更多的骨組織長入并與骨形成骨鍵合，使盡快達(dá)到或接近自然骨的強(qiáng)度。

4、 改善多孔鈦骨界面結(jié)合的另一方式是賦予其表面活性。多孔鈦雖然具有很多優(yōu)點，但它畢竟是一種生物惰性金屬材料，新生骨與植入體之間只能形成骨整合，而非強(qiáng)有力的化學(xué)鍵性結(jié)合(骨鍵合)，導(dǎo)致植入體在其功能狀態(tài)下的壽命受到嚴(yán)重影響。為此，作者將普遍用于致密鈦表面改性的表面活化技術(shù)(酸堿處理和堿熱處理)用于處理優(yōu)化過的與骨組織彈性模量近似匹配的多孔鈦，并比較兩種不同表面活化處理方式對多孔鈦植入體與骨之間結(jié)合能力的影響。結(jié)果表明，酸堿和堿熱處理

5、能有效改善多孔鈦表面微結(jié)構(gòu)并使其具有生物活性，與骨形成良好結(jié)合，兩種處理方式誘導(dǎo)長入孔隙內(nèi)部的骨組織量相似，但數(shù)量不多。熱處理在提高植入體與骨之間的結(jié)合強(qiáng)度方面起到了重要作用。在長入組織量相似情況下，堿熱處理多孔鈦在提供穩(wěn)定的固定方面優(yōu)于酸堿處理多孔鈦，這種作用可能更多來自二者處理鈦表面后活化層的結(jié)構(gòu)差異。仿生礦化法是模仿磷灰石形成的自然過程，通過低溫模擬生理環(huán)境在材料表面構(gòu)建表面活化層，這種方法能夠在多孔植入體的孔內(nèi)部均勻沉積涂層。因

6、此，作者先將多孔鈦進(jìn)行酸堿處理和堿熱處理使其具有可以進(jìn)行礦化的生物活性表面，再將其置于過飽和鈣化液中制備磷灰石仿生涂層，最后將其植入動物體內(nèi)考察涂層對于植入體與骨之間結(jié)合能力的影響以及組織反應(yīng)。結(jié)果表明，仿生涂層法能夠在經(jīng)過預(yù)處理的多孔鈦植入體內(nèi)部均勻沉積仿生CaP涂層，這種CaP仿生涂層具有更好的生物活性，能夠誘導(dǎo)更多骨組織向孔隙內(nèi)部生長，增強(qiáng)植入體與骨組織的固定。酸堿和堿熱前處理工藝仍然可能導(dǎo)致活化層與基底界面的結(jié)合強(qiáng)度差異從而影響

7、植入體與骨界面的結(jié)合強(qiáng)度。 通過對兩種前處理再表面仿生礦化的多孔鈦肌內(nèi)植入進(jìn)行組織學(xué)分析，初步發(fā)現(xiàn)仿生礦化涂層表面活化改性同時可能賦予多孔鈦誘導(dǎo)軟骨組織形成能力。實驗結(jié)果表明，表面活化多孔鈦仿生礦化涂層微結(jié)構(gòu)受前處理方式影響，礦化層生長受前處理活化層微結(jié)構(gòu)調(diào)制。酸堿前處理提供網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)礦化涂層生長模板，而堿熱前處理提供針狀礦化涂層生長模板，前處理方式同時影響礦化涂層生長厚度。一定微結(jié)構(gòu)表面活化涂層甚至可能誘導(dǎo)非骨環(huán)境中軟骨組織的形