【摘要】： 多孔鈦的孔結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)骨組織向內(nèi)生長,增加界面結(jié)合強度、促進體液在其中流動、加快骨修復(fù)進程,因此在骨修復(fù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。本文以鈦絲為原料制備多孔鈦,采用理論設(shè)計和計算的方法給出了多孔鈦毛坯孔隙度的計算公式,分析了各參數(shù)對毛坯孔隙度的影響。優(yōu)化了多孔鈦的最終成形和真空燒結(jié)工藝。研究了多孔鈦壓縮性能及變形過程,給出了壓縮屈服強度與孔隙度之間的理論關(guān)系式。以含硅羥基磷灰石(Si-HA)熱力學(xué)與動力學(xué)幾率分析為基礎(chǔ),在鈦及多孔鈦表面仿生制備了Si-HA涂層,最后對該涂層的生物活性進行了體外細胞試驗和動物體內(nèi)植入試驗評價。得到如下結(jié)果: 多孔鈦毛坯孔隙度計算結(jié)果表明:調(diào)整鈦絲直徑dTi,最小螺旋直徑D,以及螺旋升角θ1和θ2可以控制多孔鈦毛坯的孔隙度。 多孔鈦成形研究表明:采用雙向成形和循環(huán)加壓可以獲得孔尺寸更均勻的多孔鈦。獲得的醫(yī)用多孔鈦的孔隙為三維螺旋結(jié)構(gòu),其孔隙度的范圍為53%-72%,孔隙尺寸范圍為150-600微米,開孔率為90%-100%。壓縮屈服強度為160-60MPa,楊氏彈性模量為5-2GPa。 對多孔鈦壓縮過程的研究表明:孔隙度大于67%時,壓縮過程分為三個階段:彈性階段、平臺階段和致密化階段;孔隙度小于67%時,壓縮過程只有彈性階段和致密化階段。 對多孔鈦孔隙度與壓縮屈服強度間關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn):隨孔隙度增加,壓縮屈服強度降低。孔結(jié)構(gòu)彈性坍塌和塑性坍塌對壓縮屈服強度均有貢獻。引入?yún)?shù)f衡量彈性坍塌對壓縮屈服強度的貢獻,試驗結(jié)果表明f=0.15,說明彈性坍塌對壓縮屈服強度有15%的貢獻,塑性坍塌對壓縮屈服強度的貢獻為85%。 研究了鈦表面Ca(OH)2+NaOH混合堿-熱處理工藝。結(jié)果表明通過混合堿處理在鈦表面可引入Ca2+,處理后表面活化層呈網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu),物相主要為鈣鈦礦型CaTiO3和金紅石型TiO2。同時研究發(fā)現(xiàn)表面含鈣量、熱處理溫度和處理時間對表面活化層形態(tài)、物相及分布有影響。隨著熱處理溫度和時間的增加,表面鈦酸鈣量增加,表面多孔結(jié)構(gòu)被破壞,并且金紅石逐漸變?yōu)槎贪魻�。表面含鈣量越高,鈦酸鈣越易于聚集成片且分布于表面。 采用SBF體外浸泡實驗研究了各個因素對表面生物活性的影響,結(jié)果表明:主要的影響因素為熱處理溫度,其范圍為580-600℃;表面含鈣量影響次之,應(yīng)保持在0.87at.%附近。在此基礎(chǔ)上,成功地將混合堿—熱處理工藝應(yīng)用于多孔鈦表面處理,獲得了內(nèi)外均勻的表面活化層。 熱力學(xué)和動力學(xué)幾率計算以及實驗結(jié)果表明:當(dāng)控制沉積液的pH值在7.0-8.0之間,SiO32-名義濃度小于5.0mM時,單相Si-HA優(yōu)先生成。鈦表面仿生制備的Si-HA涂層表面多孔,有珊瑚狀凸起,涂層中的硅由內(nèi)向外呈梯度分布;隨著涂層平均含硅量增加,表面逐漸致密,涂層厚度減小。Si的引入增加了仿生Si-HA涂層與基體的剪切強度。將Si-HA涂層仿生制備工藝應(yīng)用于多孔鈦,獲得了內(nèi)外均勻的Si-HA涂層。 體外細胞實驗結(jié)果表明:Si的引入增加了Si-HA涂層的生物活性并加速細胞的礦化進程。培養(yǎng)初期,不同硅含量的表面粘附的細胞數(shù)量沒有顯著差異;7天后0.50wt.% Si-HA涂層表面粘附的細胞明顯多于其它硅含量的涂層(p0.05),這表明0.50wt.% Si- HA表現(xiàn)出更好的生物相容性。 動物體內(nèi)植入試驗表明:Si-HA涂層可以誘導(dǎo)新骨沿涂層向骨髓腔內(nèi)生長和向外生長(向肌肉方向),并且新骨與涂層的界面結(jié)合緊密,驗證了Si-HA涂層具有良好的骨誘導(dǎo)性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TG146.45
【圖文】：

Wen 等[34]人，采用粉末尺寸為 200～500μm 的碳酸氫氨顆粒作為造通過粉末冶金方法制備出多孔鈦，其孔隙度為 35～80%，孔隙尺圖 1-1 粉末冶金配合造孔劑法制備多孔鈦孔工藝流程[34]Fig.1-1 Processing steps for fabricating porous titanium by powdermetallurgy with spacer holder particles[34]

圖 1-2 粉末冶金配合造孔劑法制備多孔鈦孔結(jié)構(gòu)[34 Pore structure in the porous titanium made by powder mwith spacer particles[34]

【參考文獻】

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本文編號：2733525