生物醫(yī)用多孔鈦的研究進(jìn)展和發(fā)展方向

1、攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 鈦材塑性加工技術(shù)課題研究報(bào)告題 目 生物醫(yī)用多孔鈦的研究進(jìn)展和發(fā)展方向 學(xué)生姓名 李云飛 學(xué)號(hào) 20111112033 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)： 簽字： 評(píng)閱教師評(píng)定成績(jī) 簽字： 摘 要金屬鈦及其合金由于具有良好的生物相容性，耐腐蝕性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，現(xiàn)已廣泛用做承重部位的骨修復(fù)或骨替換材料。然而，一方面鈦的彈性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(dòng)失效。另一方面由于鈦表面的生物惰性本性使得植入體與骨之間不能形成生物活性結(jié)合而導(dǎo)致植入體與骨界面結(jié)合松動(dòng)。鈦及其合金這兩方面的缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了植入后的使用壽命。在鈦中引入孔隙制

2、備成多孔鈦，通過(guò)控制孔隙率來(lái)控制其彈性模量與骨組織相匹配可解決由彈性模量不匹配而引起的應(yīng)力屏蔽問(wèn)題。對(duì)鈦表面進(jìn)行表面改性使其表面活化可解決植入體與骨之間的界面結(jié)合穩(wěn)定性問(wèn)題。本文對(duì)多孔鈦的制備方法及鈦表面活化的方法進(jìn)行了綜述。提出了采用漿料發(fā)泡法制備生物力學(xué)相容多孔鈦，接著采用化學(xué)表面改性的方法對(duì)多孔鈦進(jìn)行表面活化，最后對(duì)表面改性前后的多孔鈦進(jìn)行生物學(xué)評(píng)價(jià)，為其臨床應(yīng)用提供依據(jù)。關(guān)鍵詞 多孔鈦，生物活性，漿料發(fā)泡法 目 錄摘 要- 1 -1綜 述- 4 -1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀- 4 -1.1.1鈦及鈦合金的研究現(xiàn)狀- 4 -1.1.2多孔鈦的研究現(xiàn)狀- 4 -2多孔鈦的制備- 6 -2.1 多

3、孔鈦的制備工藝研究現(xiàn)狀- 6 -2.2 松裝燒結(jié)法- 6 -2.3 添加造孔劑材料法- 7 -2.4 有機(jī)泡沫浸漬法- 8 -2.5 固態(tài)發(fā)泡法- 8 -2.6自蔓延高溫?zé)Y(jié)法- 9 -2.7鈦纖維燒結(jié)法- 10 -2.8 漿料發(fā)泡法- 10 -3 多孔鈦的表面改性- 13 -3.1多孔鈦的表面改性及其生物學(xué)效應(yīng)研究現(xiàn)狀- 13 -3.2 酸處理- 14 -3.4堿處理- 15 -3.5 酸堿兩步法- 16 -3.6 雙氧水處理- 16 -3.7 溶膠一凝膠法- 17 -3.8 預(yù)鈣化處理法- 17 -3.9 表面誘導(dǎo)礦化法- 18 -4 課題的意義- 19 -4.1 課題學(xué)術(shù)及使用意義- 1

4、9 -4.2 課題研究目的、內(nèi)容、技術(shù)路線- 19 -4.2.1 研究目的- 19 -4.2.2 研究?jī)?nèi)容- 19 -4.2.3 技術(shù)路線- 20 -4.3 創(chuàng)新之處與擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題- 20 -4.3.1 創(chuàng)新之處- 20 -4.4 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題- 21 - 4.5 預(yù)期目標(biāo)- 21 - 4.6 可行性論證- 21 -6、參考文獻(xiàn)- 22 -1 綜 述1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1.1鈦及鈦合金的研究現(xiàn)狀鈦及鈦合金良好的的生物相容性、耐腐蝕性和綜合力學(xué)性能，受到了在生物材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。研究認(rèn)為純鈦及鈦合金具有良好生物相容性，這主要?dú)w功于其表面形成了致密的鈍化二氧化鈦氧化膜，二氧化鈦無(wú)毒性

5、，在體液環(huán)境中溶解度很低，具有穩(wěn)定的化學(xué)惰性。Bothe R T 等在二十世紀(jì)四十年代最早開(kāi)展了鈦與骨組織之間的反應(yīng)研究，隨后很多學(xué)者對(duì)鈦的生物學(xué)性能開(kāi)展了大量研究。目前鈦及鈦合金已成功被用作植入人體的硬組織替代物，制造骨釘、牙種植體、人工關(guān)節(jié)、骨板等醫(yī)療器械。實(shí)際的臨床使用中，因?yàn)殁伡扳伜辖鸩痪哂猩锘钚?，造成鈦及鈦合金材料在人體內(nèi)與骨組織結(jié)合強(qiáng)度低、創(chuàng)口不易愈合等問(wèn)題。鈦及鈦合金彈性模量與其它醫(yī)用金屬材料相比彈性模量較低，與骨組織最接近，但相差仍然很大。純鈦的彈性模量約為 110 GPa， Ti6Al4V 約為 105 GPa，遠(yuǎn)高于皮質(zhì)骨的彈性模量（10-40GPa）。由于鈦合金與骨組織

6、的彈性模量不匹配，當(dāng)鈦及鈦合金植入體內(nèi)后將出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致植入體周?chē)墓墙M織產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，骨界面慢性疲勞破壞、骨細(xì)胞壞死等問(wèn)題，造成植入體松動(dòng)或脫落，植入手術(shù)失敗。為保證植入體與骨組織界面結(jié)合強(qiáng)度，骨替代或修復(fù)材料除了要有足夠的強(qiáng)度和韌性以外，還要具有接近骨組織的彈性模量。 1.1.2多孔鈦的研究現(xiàn)狀為了解決植入體與骨之間的穩(wěn)定性問(wèn)題和植入體與骨之間彈性模量的不匹配問(wèn)題，大量的研究集中在制備具有多孔結(jié)構(gòu)的多孔鈦上。多孔鈦由于孔隙的引入極大地改善了鈦的力學(xué)性能和生物學(xué)性能，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）多孔鈦的強(qiáng)度和彈性模量可以通過(guò)改變孔隙率來(lái)調(diào)整，達(dá)到與被修復(fù)骨組織相匹配的力學(xué)性能，從而

7、減輕或消除應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，延長(zhǎng)植入體的使用壽命；（2）多孔鈦的多孔結(jié)構(gòu)有利于成骨細(xì)胞粘附、分化和生長(zhǎng)，促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入孔隙形成機(jī)械嵌合，從而實(shí)現(xiàn)生物固定，增強(qiáng)植入體與骨之間的穩(wěn)定性。（3）連通的多孔結(jié)構(gòu)有利于水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在多孔鈦植入體內(nèi)部傳輸，有利于骨組織再生和重建，加快痊愈過(guò)程。 多孔鈦同時(shí)具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，這是多孔聚合物和多孔陶瓷不可比擬的。在多孔鈦應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，彈性變形后有一個(gè)較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，能有效地緩沖外來(lái)沖擊力?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，多孔鈦?zhàn)鳛橐环N新型的骨組織修復(fù)或替換材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。2 多孔鈦的制備2.1 多孔鈦的制備工藝研究現(xiàn)狀由于鈦具有極高的熔點(diǎn)（1670 ），液體鈦與

8、氧氣、氮?dú)獾拳h(huán)境氣體有極高的化學(xué)親和性，環(huán)境氣體溶于液體鈦中會(huì)降低鈦的塑性，同時(shí)液體鈦與大多數(shù)模具材料也有很高的反應(yīng)性。因此，目前主要采用在較低的溫度和不十分苛刻的條件就能制備出多孔鈦的粉末冶金方法，避免采用易于引起污染的液態(tài)方法。粉末冶金制備多孔鈦的主要方法如下：2.2 松裝燒結(jié)法將鈦粉末或鈦珠松裝于模具內(nèi)進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)，在燒結(jié)過(guò)程中粉末顆粒相互粘結(jié)，從而形成多孔燒結(jié)體。它是一種最簡(jiǎn)單的制備多孔鈦的方法。Oh等在加壓或沒(méi)有加壓的條件下燒結(jié)球形鈦粉，獲得了537的孔隙率。測(cè)試結(jié)果表明多孔鈦的楊氏模量和抗壓屈服強(qiáng)度隨著孔隙率的增加線性減少。當(dāng)孔隙率為30時(shí)，多孔鈦的彈性模量與人皮質(zhì)骨相近。瞬間放電

9、等離子體燒結(jié)制備多孔鈦是最近幾年發(fā)展起來(lái)的快速燒結(jié)多孔鈦的方法。商業(yè)純鈦粉通過(guò)該方法制得的多孔鈦的孔隙率大約為30。它允許在相對(duì)高壓(2030MPa)、非常低的溫度(560700)和極短的時(shí)間(320分鐘)等條件下燒結(jié)，隨后在1000下進(jìn)行熱處理改善多孔鈦的力學(xué)性能。圖2-1 松裝燒結(jié)法制備多孔鈦的孔隙結(jié)構(gòu)松裝粉末燒結(jié)法的特點(diǎn)在于孔的尺寸和形狀由鈦粉的尺寸和形狀所控制。對(duì)于球形粉，孔隙率至多為50，該法制備得到的多孔鈦孔隙率較低，不能能為組織的長(zhǎng)入提供充分的空間，并且孔的形狀為高度的非球形，在粉末之間燒結(jié)頸處的孔是尖的，在疲勞條件下，裂紋可能從此處引發(fā)。2.3 添加造孔劑材料法將造孔劑和鈦粉混

10、合，加壓成型，然后去除造孔劑，再高溫?zé)Y(jié)得到多孔鈦。本方法通過(guò)選取適當(dāng)?shù)姆勰┝６取⑿螒B(tài)和含量的造孔劑可以有效控制孔隙的孔徑、形態(tài)和孔隙度。造孔劑不能污染鈦，不與鈦在高溫的情況下發(fā)生反應(yīng)，而且容易去除。目前最常用的孔隙材料有碳酸氫氨，尿素，石蠟，氯化鈉,金屬鎂和一些高分子聚合物。選用碳酸氫氨(200-600m)作成造孔劑，用商業(yè)用純鈦(純度99. 9%粒度不大于45m)制備出孔隙率高達(dá)80%，孔隙結(jié)構(gòu)比較理想的多孔鈦，成型工藝見(jiàn)圖3-2。圖2-2添加孔隙材料制備多孔鈦的成型工藝通過(guò)掃描電鏡對(duì)所制備的多孔鈦的觀察發(fā)現(xiàn)，多孔鈦中存在兩種孔隙，一種是尺寸為200-500m的大孔，另外一種是均勻分布在大

11、孔的孔壁上的孔徑為10m左右的小孔如圖2-3，此孔隙結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是材料具有骨誘導(dǎo)性的最優(yōu)化三維結(jié)構(gòu)。圖2-3 孔徑10m左右的小孔為電子掃描電鏡2.4 有機(jī)泡沫浸漬法將海綿狀有機(jī)泡沫切割成所需形狀后浸泡含有所需金屬粉末的料漿，干燥浸漿海綿除去溶劑后，在某一溫度下加熱使有機(jī)海綿體分解或熱解，在更高的溫度下進(jìn)一步加熱留下的金屬體使其燒結(jié)，冷卻后即得到具有連通孔隙的高孔率多孔金屬。也可將金屬粉末調(diào)成懸膠體注入開(kāi)口多孔結(jié)構(gòu)(如泡沫塑料)，除去有機(jī)介質(zhì)，將金屬粉末粒子燒結(jié)成多孔體。用這種方法可以制得孔隙率高達(dá)90%的多孔金屬，但這種由對(duì)開(kāi)口多孔基體溶漿燒結(jié)，再制出一個(gè)完全的開(kāi)口結(jié)構(gòu)多孔金屬的能力是有限的，

12、因?yàn)殡S著注入金屬量的增加和有機(jī)基體孔體尺寸的減小，復(fù)制基體開(kāi)口孔的能力越來(lái)越小、內(nèi)部很多孔隙被堵塞。2.5 固態(tài)發(fā)泡法固態(tài)發(fā)泡法是一種不同于傳統(tǒng)發(fā)泡法的制備多孔金屬的新工藝，該工藝已被成功應(yīng)于制備非合金鈦和鈦合金(Ti-6Al-4V)。首先把鈦粉在Ar氣氛中熱等靜壓，得到含有分散均勻的高壓Ar小氣孔的毛胚;然后將毛胚進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)(1200)，在燒結(jié)的過(guò)程中，封閉在毛胚中的高壓Ar氣泡受熱膨脹制得多孔鈦。己有文獻(xiàn)對(duì)其成孔的原理進(jìn)行報(bào)道。用此方法可制備出孔隙率為40%的多孔鈦。該方法的最大優(yōu)勢(shì)是有效地克服了鈦的熔點(diǎn)太高(1668)而不能用傳統(tǒng)的液態(tài)發(fā)泡法的缺點(diǎn)，可以用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但用此方法

13、制備的多孔鈦孔隙率不高，有待進(jìn)一步的完善。圖2-4 固態(tài)發(fā)泡法的工藝圖2.6自蔓延高溫?zé)Y(jié)法自蔓延高溫合成法(又稱(chēng)燃燒合成法)制備多孔鈦合金是近年來(lái)發(fā)展很快的一種新方法。它的原理是利用化學(xué)反應(yīng)自身的生成熱來(lái)維持材料的合成，當(dāng)反應(yīng)被引發(fā)以后，隨著燃燒波的推進(jìn)、反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成生成物。李丙云等用此方法制得的多孔鎳鈦合金，其孔隙分布均勻見(jiàn)圖2-5，總孔隙率為(30-40)vol%，其中開(kāi)孔占95%左右。該方法彌補(bǔ)了多孔體的其他制造方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、能耗大、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，可有效降低制備成本。此方法現(xiàn)主要運(yùn)用于制備多孔鎳鈦形狀記憶合金。圖2-5 孔鎳鈦合金孔隙分布總孔隙率為(30-40)vol%，其中開(kāi)孔占

14、95%左右。該方法彌補(bǔ)了多孔體的其他制造方法生產(chǎn)周期長(zhǎng)、能耗大、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，可有效降低制備成本。此方法現(xiàn)主要運(yùn)用于制備多孔鎳鈦形狀記憶合金。2.7鈦纖維燒結(jié)法此方法是九十年代才發(fā)展的多孔鈦制備工藝。具體的制備過(guò)程為:將鈦絲放入一定的模具中加壓成型，然后燒結(jié)。用此方法制備的鈦纖維網(wǎng)植入體(TFMI)具有優(yōu)良的生物相容性以及杰出的體內(nèi)耐腐蝕性和承重性能，吸引了很多科學(xué)家從事相關(guān)的研究，TFMI也被用于椎間盤(pán)、下領(lǐng)骨重建、人工關(guān)節(jié)系統(tǒng)的柄的表面涂層以及經(jīng)皮器件。這種方法制備的多孔鈦孔隙結(jié)構(gòu)不適合醫(yī)用，多孔鈦強(qiáng)度較高，具有良好的生物力學(xué)相容性，也具有能讓骨組織長(zhǎng)入的連通的三維孔隙結(jié)構(gòu)，但由于其孔壁

15、上無(wú)微米級(jí)小孔而不具備骨誘導(dǎo)性使骨修復(fù)速度大大減慢。2.8 漿料發(fā)泡法將鈦粉末、發(fā)泡劑和有機(jī)物(粘結(jié)劑和分散劑)按照一定的比例一起制成混合漿料，注入模具中，在一定的溫度下發(fā)泡，然后燒結(jié)冷卻后，即可制得多孔鈦。這是一種制備開(kāi)孔多孔鈦的有效方法，見(jiàn)圖2-7。圖2-7 多孔鈦制備工藝這種方法制備出不同孔隙率的多孔鈦。力學(xué)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，孔隙率為58的多孔鈦的抗壓強(qiáng)度為1907MPa，抗彎強(qiáng)度為159MPa，彈性模量為415GPa，與人骨的力學(xué)性能非常相似，有利于避免植入體與骨的力學(xué)性能的不匹配帶來(lái)的應(yīng)力集中，提高植入體的壽命。表1 多孔鈦的各種制備方法比較制備方法特點(diǎn)松裝燒結(jié)法制備方法簡(jiǎn)單，局限性在于

16、孔的尺寸和形狀由鈦粉的尺寸和形狀所控制。對(duì)于球形粉，孔隙率至多為50，并且孔的形狀為高度的非球形，在粉末之間燒結(jié)頸處的孔是尖的，在疲勞條件下，裂紋可能從此處引發(fā)。添加造孔劑材料法孔隙率高，骨誘導(dǎo)性好，制備方法復(fù)雜，成本高，力學(xué)性能不能與骨組織匹配。有機(jī)泡沫浸漬法孔隙率較高，孔的連通性較好，孔壁上無(wú)小孔分布，力學(xué)性能不能與骨組織匹配。固態(tài)發(fā)泡法多孔鈦的形狀、尺寸、連通性和體積百分?jǐn)?shù)獨(dú)立于最初的粉末預(yù)成型體；處理過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備要求較高，孔的連通性較差，孔隙率很少超過(guò)50%。自蔓延高溫?zé)Y(jié)法可以獲得高純度的多孔鈦合金，孔結(jié)構(gòu)各向異性，設(shè)備要求較高。鈦纖維燒結(jié)法用此方法制備的鈦纖維網(wǎng)植入體(TFMI)

17、具有優(yōu)良的生物相容性以及杰出的體內(nèi)耐腐蝕性和承重性能，具備骨誘導(dǎo)性漿料發(fā)泡法制備方法簡(jiǎn)單，成本低，孔隙率可以調(diào)整，孔的連通性較好，孔壁上有小孔，工藝不穩(wěn)定。對(duì)各種制備方法的比較見(jiàn)表1。綜合各種因素,本研究選擇漿料發(fā)泡法，它制備方法簡(jiǎn)單，成本低，孔隙率可以調(diào)整到與骨組織力學(xué)性能匹配，孔的連通性較好，孔壁上有小孔，滿(mǎn)足臨床應(yīng)用要求。盡管多孔鈦有很多的優(yōu)點(diǎn)，但它畢竟是一種生物惰性金屬材料，新生骨與植入物之間只能形成骨整合，而非強(qiáng)有力的化學(xué)鍵結(jié)合，導(dǎo)致植入在其體內(nèi)狀態(tài)下的壽命受到影響。因此，不斷開(kāi)發(fā)新的多孔鈦的制備工藝，或者將各種制備方法進(jìn)行有效的結(jié)合，充分利用各種制備方法的優(yōu)點(diǎn)來(lái)制備具有良好的生物力

18、學(xué)相容性和完善的多孔結(jié)構(gòu)的多孔鈦是生物醫(yī)用多孔鈦制備的發(fā)展方向。 3 多孔鈦的表面改性3.1多孔鈦的表面改性及其生物學(xué)效應(yīng)研究現(xiàn)狀當(dāng)前，根據(jù)不同的臨床需要，開(kāi)發(fā)出了各種各樣的表面改性技術(shù)來(lái)對(duì)致密鈦及其合金進(jìn)行表面改性。這些方法根據(jù)在材料表面改性層的形成機(jī)理不同可以分為機(jī)械法、化學(xué)法和物理法等。見(jiàn)下表2 ，它們用各種不同的表面改性技術(shù)來(lái)提高鈦及其合金的生物活性、生物相容性、血液相容性。表2常用的鈦及鈦合金植入體表面改性方法一覽表表面改性方法改性層改性目的機(jī)械方法：研磨/拋光/噴砂粗糙或光滑表面產(chǎn)生特定的表面拓?fù)湫蚊玻磺鍧嵑痛只砻?；提高結(jié)合能力化學(xué)方法：化學(xué)處理/酸處理表面氧化層小于10nm除去

19、表面氧化層和污染堿處理約1m厚的鈦酸鈉凝膠提高生物相容性、生物活性或骨傳導(dǎo)性雙氧水處理約5nm厚內(nèi)部致密外部多孔的氧化層提高生物相容性、生物活性或骨傳導(dǎo)性溶膠凝膠法約10m厚的薄膜，例如：磷酸鈣，二氧化鈦，氧化硅提高生物相容性、生物活性或骨傳導(dǎo)性陽(yáng)極氧化10nm40nm的二氧化鈦層有陰離子電解質(zhì)的吸附和注入產(chǎn)生特定的表面拓?fù)湫蚊?，提高抗腐蝕能力; 提高生物相容性、生物活性或骨傳導(dǎo)性化學(xué)氣相沉積約1m厚的TiN、TiC、TiCN、金剛石和類(lèi)金剛石炭薄膜提高抗磨損性、抗腐蝕能力及血液相容性生物化學(xué)法通過(guò)硅烷化氧化鈦、光化學(xué)、自組裝單分子層、抗蛋白等改性通過(guò)在表面固定多肽、蛋白質(zhì)或生長(zhǎng)因子來(lái)誘導(dǎo)特定

20、的細(xì)胞和組織反應(yīng)物理方法：熱噴涂/火焰噴涂/等離子噴涂/HVOF/DGUN30-150m的涂層，例如:Ti、HA、提高抗磨損性、抗腐蝕性及生物學(xué)性能物理氣相沉積蒸發(fā)/離子電鍍法/濺射約1厚的TiN、TiC、TiCN、金剛石和類(lèi)金剛石炭薄膜離子注入和沉積線性離子束注入/PIII約10nm厚的改性層和微米級(jí)的薄膜改變表面組成；提高抗磨損、抗腐蝕能力及生物相容性輝光放電等離子體處理1nm-10nm的表面改性層表面清潔，滅菌，氧化，滲碳；自然氧化層去除對(duì)于骨替換材料，主要是為了提高其生物相容性和生物活性。在目前應(yīng)用于鈦表面改性的機(jī)械方法、物理方法、化學(xué)方法等三類(lèi)方法中，機(jī)械方法明顯不適用于具有多孔結(jié)構(gòu)

21、的多孔鈦；以等離子噴涂為代表的物理方法受視線效應(yīng)影響也難以在多孔鈦的內(nèi)部孔隙制備均勻分布的涂層。因而，提高多孔鈦生物相容性、賦予其生物活性的主要是化學(xué)法?；瘜W(xué)法基于發(fā)生在鈦與溶液界面上的化學(xué)反應(yīng)使其活化，然后在生理環(huán)境和模擬體液中浸泡，自然沉積類(lèi)骨磷灰石。化學(xué)法目前有較多的研究，現(xiàn)將幾種主要的能夠用于多孔鈦的化學(xué)處理方法及其生物學(xué)研究進(jìn)展介紹如下：3.2 酸處理酸處理經(jīng)常用來(lái)除掉金屬表面的氧化物和污染，從而獲得清潔和均勻的表面?；旌纤釓V泛用來(lái)預(yù)處理鈦。由10-301+131HF組成的水溶液被推薦用作酸預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)液。氫氟酸很容易攻擊TiO2并與Ti反應(yīng)形成可溶性的氟化鈦和氫。氫注入鈦會(huì)導(dǎo)致表面層

22、的脆性，但是硝酸和氫氟酸的比率在lO1之間可以使自由氫的形成最小化。Takeuchi等研究了三種酸(NaS2O8，H2SO4和HCl)去除鈦表面污染物的效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)HCl是優(yōu)異的去污劑，因?yàn)樗芎苋菀椎厝芙忖侞}而不會(huì)弱化鈦表面。酸刻蝕通常在表面形成薄的氧化層(<10rim)，這種氧化層在空氣中緩慢生長(zhǎng)，在400天的時(shí)間里從3nm長(zhǎng)6nm，氧化物中主要是TiO2，但是通常也能觀察到來(lái)自刻蝕液的殘留物，特別是含氟的化合物。一些處理導(dǎo)致氫注入氧化鈦層以下的表面區(qū)域，即使對(duì)刻蝕的表面進(jìn)行后續(xù)的熱處理，這些殘留物仍然保留。酸處理通常和其它處理一起來(lái)提高鈦的性能。3.4堿處理Kim等首次引入堿熱處

23、理來(lái)提高鈦的生物活性。堿熱處理的過(guò)程如下：將鈦置于10molL或5molL的NaOH或KOH溶液中24h，清洗、干燥后以5 min的升溫速度在600下熱處理1h。經(jīng)過(guò)處理，在鈦表面形成了多孔表面。薄膜XRD顯示鈦酸鈉水凝膠在鈦基體上形成。在SBF中浸泡后發(fā)現(xiàn)類(lèi)骨磷灰石在其表面形成，顯示堿熱處理鈦具有生物活性。Nishio 等檢測(cè)了骨髓細(xì)胞在堿熱處理鈦和在表面沉積有結(jié)晶的羥基磷灰石的堿熱處理鈦表面的成骨分化情況，結(jié)果顯示磷灰石形成在成骨分化方面扮演了一個(gè)重要的角色，表面沉積有結(jié)晶的羥基磷灰石的堿熱處理鈦為骨髓細(xì)胞分化提供最有利的條件。在后期階段，可能是由于在其表面形成了磷灰石層，堿熱處理鈦也能夠

24、為骨髓細(xì)胞分化提供有利條件。Kim等認(rèn)為堿熱處理鈦通過(guò)在其表面形成磷灰石與骨發(fā)生鍵合。Yah等研究了堿熱處理和表面誘導(dǎo)的類(lèi)骨磷灰石對(duì)鈦植入體骨結(jié)合能力的影響，結(jié)果表明堿熱處理能夠加速鈦植入體的骨結(jié)合行為，通過(guò)在鈦植入體表面誘導(dǎo)生物活性表面層增強(qiáng)骨一植入體之間的結(jié)合強(qiáng)度Kim等報(bào)道僅僅進(jìn)行堿處理而沒(méi)有進(jìn)行熱處理的鈦在模擬體液中浸泡時(shí)，能像堿熱處理鈦一樣有能力在其表面形成磷灰石。膠帶將堿處理表面層從基體上脫附表明它們之間的結(jié)合力較弱，因此他們推薦用熱處理來(lái)形成更穩(wěn)定的鈦酸鈉層。他們還表明一旦磷灰石層形成，磷灰石層與堿處理鈦之間的拉伸強(qiáng)度可以與堿熱處理相比擬。Nishiguehi等評(píng)價(jià)了熱處理對(duì)堿處

25、理鈦骨結(jié)合能力的影響，結(jié)果表明堿熱處理鈦直接與骨形成化學(xué)鍵合，而僅僅進(jìn)行堿處理的則不能，這是由于堿處理鈦表面形成的生物活性層是不穩(wěn)定的，可能在保存或植入期間失去了磷灰石形成的能力。為了獲得骨鍵合能力，堿和熱處理是必不可少的。Uchida等研究了水處理對(duì)堿處理鈦磷灰石形成能力的影響。他們將鈦置入60下5molL的NaOH溶液24h，隨后在40-80的去離子水中浸泡48小時(shí)，最后在600進(jìn)行熱處理1h。這種處理將鈦酸鈉轉(zhuǎn)化為銳鈦礦，去除了處理層中的鈉離子，顯著地提高了金屬沉積磷灰石的能力。Fujibayashi等考察了通過(guò)堿熱處理制各的生物活性鈦在去除鈉離子后對(duì)骨結(jié)合能力的影響。體內(nèi)生物學(xué)活性在4

26、、8、16、24周后通過(guò)力學(xué)和生物學(xué)檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后4周和8周，鈉離子去除增強(qiáng)了生物活性鈦的骨結(jié)合能力，然而在16周和24周，它的骨結(jié)合強(qiáng)度低于傳統(tǒng)的堿熱處理鈦。分離測(cè)試后的組織學(xué)檢查揭示在不含鈉離子生物活性鈦的處理層發(fā)生斷裂。鈉離子去除加速了生物活性鈦的體內(nèi)活性，并引起了更快的骨鍵合，這是由于形成了銳鈦礦的Ti02，但是鈉離子的完全去除導(dǎo)致表面的分級(jí)結(jié)構(gòu)的喪失降低了處理層和鈦基體之間的黏附強(qiáng)度。自從Kim和Kokubo等介紹堿熱處理可以提高鈦的生物活性，為了獲得更優(yōu)的生物活性，許多研究人員進(jìn)一步調(diào)查了其機(jī)理和優(yōu)化的工藝參數(shù)。3.5 酸堿兩步法酸堿兩步法就是先用酸處理后再用較低濃度的堿處

27、理，它的基本思想是用鹽酸和硫酸侵蝕鈦，以便在其表面形成微孔，增大表面積；再通過(guò)低濃度堿液浸泡，使鈦表面形成較厚的、微孔的鈦表面氧化層，這層氧化層可以改善鈦植入體的生物活性。Wen等報(bào)道通過(guò)酸(HCI+H2S04)堿(NaOH)兩步處理法可以制備生物活性的鈦表面，并能夠在過(guò)飽和鈣化液中快速誘導(dǎo)磷灰石在鈦表面沉積。Jonasova等,假定用NaOH處理的鈦在模擬體液中浸泡后形成的磷灰石是非均勻和不一致的。作者探索出在惰性氣氛下用HCl刻蝕鈦來(lái)形成一致的微粗糙表面，在堿處理之后，這種微粗糙表面仍然保持不變，它為原位磷灰石沉積提供了更好的條件。在用NaOH進(jìn)行堿處理之后，發(fā)現(xiàn)磷灰石形核是均勻的，沉積磷

28、灰石的厚度隨著時(shí)間的增加而連續(xù)地增加。通過(guò)酸(HCl)和隨后的堿(NaOH)兩步法處理鈦提供了一個(gè)合適的方法來(lái)增強(qiáng)表面骨鍵合能力。3.6 雙氧水處理氧化鈦凝膠涂層能夠提高鈦植入體的生物活性，因?yàn)樵谀M體液中浸泡時(shí)，氧化鈦凝膠能夠誘導(dǎo)磷灰石的形成。鈦表面能夠與H2O2反應(yīng)生產(chǎn)Ti-OOH凝膠。在H2O2/0.1 M HCl溶液中處理鈦能在其表面形成無(wú)定型Ti02凝膠，凝膠層的厚度幾乎隨著處理時(shí)間線性增加。在300以上的熱處理使凝膠逐漸從無(wú)定型轉(zhuǎn)化成結(jié)晶態(tài)態(tài)的銳鈦礦；在600熱處理之后，金紅石開(kāi)始出現(xiàn)；在700以上處理，凝膠發(fā)生顯著的致密化。在凝膠層超過(guò)了最小的厚度(0.2 m)和隨后經(jīng)過(guò)合適的處

29、理溫度(400-600)之后表現(xiàn)出沉積磷灰石的能力在H2O2/TaCl5溶液中處理鈦也能夠在鈦表面形成TiO2凝膠層。在200以下處理仍然保持無(wú)定型結(jié)構(gòu)，在模擬體液中浸泡7天，沒(méi)有顯示出生物活性。而在300-600進(jìn)行熱處理，無(wú)定型TiO2轉(zhuǎn)變成銳鈦礦并在模擬體液中沉積磷灰石顯示出活性。磷灰石擇優(yōu)在更厚的氧化鈦凝膠裂縫內(nèi)部形核。在浸泡2天后，樣本表面幾乎全部被磷灰石覆蓋。隨后加熱去除氧化鈦凝膠中的過(guò)氧自由基和形成的銳鈦礦歸功于增強(qiáng)磷灰石的形成能力。SKaneko等通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種方法。他們將H2O2/TaCl5溶液處理的鈦植入兔子的脛骨，未處理的鈦?zhàn)鰧?duì)照。通過(guò)推出實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)植入體和骨組織

30、之間的剪切力。在手術(shù)后8周，植入42mm孔處理鈦的剪切力顯著高于未處理鈦，盡管處理并沒(méi)有改變表面粗糙度。此外，植入40mm孔樣品的剪切力高于42mm的孔。作者通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)H2O2/TaCl5溶液處理能夠使鈦植入體與周?chē)墙M織形成生物活性結(jié)合，從而賦予鈦植入體更高的骨結(jié)合能力。Kim等用H2O2/TaCl5溶液處理鈦纖維網(wǎng)眼表面，考察了這種處理對(duì)纖維網(wǎng)眼力學(xué)和組織學(xué)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在術(shù)后3周和5周時(shí)，處理樣本與骨之間的結(jié)合強(qiáng)度隨著植入時(shí)間的增加而增加，比未處理樣品提供更快的固定。在術(shù)后8周時(shí)，處理和未處理樣本的骨結(jié)合強(qiáng)度近似相等?；瘜W(xué)處理后，在纖維網(wǎng)眼上和網(wǎng)眼內(nèi)新骨形成的量顯著增加，而且可

31、以加快纖維網(wǎng)眼中骨形成的速率。這些表明化學(xué)處理賦予鈦纖維網(wǎng)眼的骨傳導(dǎo)性能夠增強(qiáng)早期階段的骨形成，獲得更快的骨結(jié)合強(qiáng)度。3.7 溶膠一凝膠法此法是在鈦和鈦合金表面制備生物活性涂層，使鈦具有生物活性。溶膠一凝膠法主要可以分成五個(gè)步驟：(1)水解和聚合；(2)凝膠化；(3)陳化；(4)干燥；(5)致密化和結(jié)晶。通常在先驅(qū)體的醇溶液中加入少量水，先驅(qū)體水解并聚合形成聚合膠體。有時(shí)還加入少量酸作催化劑。采用旋轉(zhuǎn)法或浸提法即可在鈦表面制作薄的溶膠凝膠涂層，如果是形狀復(fù)雜的基體，一般采用浸提法。涂敷后的基體在一定溫度下干燥形成凝膠膜，經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?，即可得到溶膠凝膠涂層。溶膠凝膠法廣泛用于沉積薄的陶瓷涂層。

32、與傳統(tǒng)的薄膜方法相比，它能夠更好地控制涂層的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，能夠制備出均勻的薄膜，降低致密化溫度，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低。它是最近幾年才引入生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的，目前已經(jīng)在鈦和鈦合金表面制備出多種涂層，如TiO2，CaP，TiO2/CaP復(fù)合涂層等。3.8 預(yù)鈣化處理法這是一種簡(jiǎn)單、快速的表面活化方法，就是將經(jīng)過(guò)表面改性或未經(jīng)表面改性的鈦在含鈣溶液中進(jìn)行處理，就能獲得生物活性表面，加快磷灰石的沉積。將鈦表面清洗后在含有Ca(NO3)2.4H2O及CaO的溶液中浸泡7天，表面即有鈣鹽形成。將經(jīng)表面處理和未經(jīng)表面處理的鈦同時(shí)放入模擬體液(Hank's溶液)中浸泡30天，發(fā)現(xiàn)經(jīng)表面處理的鈦重量增

33、加。在600加熱，表面出現(xiàn)類(lèi)骨磷灰石。這表明，經(jīng)表面處理的鈦在Hank's溶液中浸泡后，表面形成磷灰石，使材料的組織相容性顯著提高。將鈦表面在含鈣溶液中進(jìn)行水熱處理，將有望獲得極好的骨整合性能。將鈦在飽和Ca(OH)2溶液中微沸處理30分鐘，然后置于過(guò)飽和磷酸鈣溶液，僅一天就可探測(cè)到微孔狀、缺鈣型碳酸化羥基磷灰石涂層，三天后涂層的厚度達(dá)到數(shù)微米。若先將鈦在水蒸氣中進(jìn)行熱處理，再在Ca(OH)2溶液中處理，這樣獲得的涂層均勻性更好，并顯著提高涂層與鈦底才之間的結(jié)合強(qiáng)度囂。在酸處理、酸堿處理后加入預(yù)鈣化步驟，能提高鈣磷的沉積速度。在堿熱處理多孔鈦后加入預(yù)鈣化步驟，同樣能提高鈣磷的沉積速率。

34、3.9 表面誘導(dǎo)礦化法表面誘導(dǎo)礦化就是模擬生物體內(nèi)陰離子的大分子促進(jìn)無(wú)機(jī)礦物相成核的過(guò)程。在金屬底材表面引入離子基團(tuán)，固液界面通過(guò)水溶液中的化學(xué)吸附在基底表面組裝形成硫醇SAMs ,這些單分子層的一端吸附在基底材料上，另一端為可以改變的功能基團(tuán)。把它們?cè)谀M體液中浸泡時(shí)，就可以進(jìn)行誘導(dǎo)礦化。誘導(dǎo)礦化端基的種類(lèi)和電性不同，礦化的能力也就不同。在這些潛在用于多孔鈦表面活化的化學(xué)方法中，目前已有部分成功用于活化多孔鈦表面。如Liang等對(duì)多孔鈦進(jìn)行堿熱處理，發(fā)現(xiàn)它在模擬體液中能夠誘導(dǎo)磷灰石在其多孔表面沉積，表現(xiàn)出體外生物活性。Takemoto等將等離子噴涂法生產(chǎn)的多孔鈦置于60下5molL的NaOH

35、溶液中24h，隨后在40的去離子水中浸泡48小時(shí)，最后在600進(jìn)行熱處理lh。將處理活化的和未處理的多孔鈦植入兔子的股骨骨節(jié)。結(jié)果表明，具有復(fù)雜貫通多孔結(jié)構(gòu)的多孔鈦加上化學(xué)和熱處理賦予的生物活性能夠增強(qiáng)骨向內(nèi)生長(zhǎng)和攀附生長(zhǎng)，表現(xiàn)出良好的體內(nèi)生物活性。4 課題的意義4.1 課題學(xué)術(shù)及使用意義盡管骨科醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用，特別是鈦及其合金的應(yīng)用取得了巨大的成功，但是金屬植入體內(nèi)后與宿主骨的長(zhǎng)期穩(wěn)定固定仍然存在問(wèn)題。由于醫(yī)用金屬材料如鈦及其合金等的彈性模量與周?chē)墙M織不匹配，引起周?chē)墙M織不能受足夠加載而產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，最終導(dǎo)致植入體松動(dòng)和失效。此外，醫(yī)用鈦表面的生物惰性本性使得鈦表面與周?chē)墓墙M織不能

36、形成緊密結(jié)合也影響植入體的壽命。解決這一問(wèn)題，對(duì)于擴(kuò)展金屬骨修復(fù)材料的應(yīng)用范圍，增進(jìn)人類(lèi)的健康具有十分重要的意義。并且，多孔鈦的研發(fā)符合國(guó)家攀西戰(zhàn)略資源創(chuàng)新開(kāi)發(fā)試驗(yàn)區(qū)的部署，對(duì)攀枝花釩鈦資源的綜合開(kāi)發(fā)利用，經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型都具有極其重要的意義。 4.2 課題研究目的、內(nèi)容、技術(shù)路線4.2.1 研究目的通過(guò)對(duì)多孔鈦孔隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到具有生物力學(xué)相容的多孔鈦，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行表面活化，特別是多孔結(jié)構(gòu)外表面及內(nèi)表面的活化，增強(qiáng)多孔鈦與骨結(jié)合的生物活性，從而得到可用于部分承力部位骨修復(fù)或骨替換的生物活性多孔鈦植入體。4.2.2 研究?jī)?nèi)容1多孔鈦的制備及物理性能測(cè)試。運(yùn)用漿料發(fā)泡法，通過(guò)工

37、藝的優(yōu)化，制備出生物力學(xué)相容的多孔鈦。2多孔鈦表面活化的研究。通過(guò)選用目前最可能應(yīng)用于多孔鈦進(jìn)行表面活化的方法的比較研究，用在模擬體液中浸泡的方式檢測(cè)各種表面活化方法的優(yōu)劣。結(jié)合表面蛋白吸附的研究，選出一種實(shí)用于多孔鈦表面活化的最佳方法。3多孔鈦及表面活化多孔鈦的生物相容性評(píng)價(jià)。對(duì)多孔鈦及表面活化多孔鈦進(jìn)行細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)，篩選出具有良好細(xì)胞相容性的多孔鈦。將篩選出的多孔鈦植入體內(nèi)骨部位和肌肉部位，研究多孔鈦經(jīng)不同表面改性后對(duì)骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)的影響。4多孔鈦骨缺損模型的建立。建立較大型動(dòng)物的股骨全缺損模型，并于缺損處植入力學(xué)性能與骨相匹配的多孔鈦，考察多孔鈦對(duì)全缺損股骨修復(fù)能力，為后期的臨床使用提供依據(jù)。4.2.3 技術(shù)路線生物相容性評(píng)價(jià)多孔鈦的制備孔隙率力學(xué)性能表面形貌模擬體液浸泡蛋白質(zhì)吸附生物相容性評(píng)價(jià)細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)本文研究的技術(shù)路線圖如下：圖3.1 多孔鈦的制備及生物學(xué)評(píng)價(jià)技術(shù)路線圖4.3 創(chuàng)新之處與擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題4.3.1 創(chuàng)新之處本項(xiàng)目采用制備方法簡(jiǎn)