3D打印医用多孔钛表面性能优化及构性机制研究

Taking into account the common problem of degradation of structure and properties of 3D printed porous titanium implants due to the special manufactures, here we proposed to further study the effects of 3D print manufactures on the corrosion performance, biocompatibility and bioactivity of the medical porous implants, and to find out their relationship and regulation of the manufacture-structure-properties. Three novel techniques will be developed in this proposal: (1)self-organized electrochemical etching is applied to construct “macro-micro-nano”ordered hierarchical structure on 3D printed implants to markedly improve their bioproperties; (2)Mefp-1 as a dominating modifier is used to assemble composite film on surface to optimize the bioproperties and to endow the functionalities as well on 3D printed implants; (3) to establish a platform of high-put through evaluation by constructing functional composite film with morphologies/composition/concentration gradient in 3D print porous titanium, combining various physicochemical and cell biological techniques, to realize highly efficient study on structure-properties relationship.

本申请将针对3D打印多孔钛植入体结构性能劣变的共性难题，提出深入研究3D打印特殊的制造技术对多孔钛医用植入体腐蚀特性、生物相容性及生物活性的影响及规律，探明制造-结构-性能之间的本质关系。侧重发展三种原创技术：（1）自组织电化学刻蚀法，用于在3D打印医用多孔钛表面构筑具有“macro-micro-nano”多级有序结构，显著提升生物相容性和生物活性；（2）以贻贝粘附蛋白(Mefp-1)作为3D打印多孔钛表面主修饰剂，组装构筑各种复合型膜层，进一步优化表面生物性能，并赋予3D打印医用植入物表面功能特性；（3）构筑具有形貌/组分/浓度梯度分布的功能膜层，建立3D打印高通量评价新技术平台，并结合各种物理化学及细胞生物学等检测技术，实现3D打印医用金属植入物生物性能的高效评价及构-性研究, 为3D打印医用金属植入物的设计、制造、改性、优化提供理论依据和科学指导。

医疗植入体的3D打印增材制造技术因可满足患者个性化需求，可精确制备与缺损部位完全匹配的修复体，可有效解决复杂骨修复的治疗难题，近年来已引起广泛关注及全球性研究，并开始实现临床应用。 然而，目前大部分3D金属打印技术均是通过金属粉末的局部高温熔融和快速冷却过程实现的，与传统制造块体材料相比，存在内应力大、耐蚀性下降、生物相容性和生物活性不足等问题。针对3D打印多孔钛植入物材料/性能劣变的共性问题，本项目按任务书计划侧重开展3D打印多孔钛表面高通量评价体系的探索，高效提升3D打印多孔钛表面耐蚀性新方法，有序微-纳米有序多级结构的构筑及生物活性因子的组装等研究，进一步探明表面结构、理化性能和生物性能之间的关系和规律性。主要取得以下进展和成果：（1）发展了双极阳极氧化和梯度提拉法，在3D打印的多孔钛表面构筑梯度微纳米图案化，高效评价材料的物理化学及生物性能，构建3D打印多孔钛高通量评价新技术平台；（2）利用电化学方法非直线过程、可控性强、制备条件温和等优势对三维多孔的3D打印多孔钛试样进行表面刻蚀及控电位钝化处理，探究了多孔钛腐蚀行为差异，建立了可有效增强3D打印多孔钛表面耐蚀性能新技术；（3）通过电化学自组织刻蚀技术，在3D打印多孔钛表面构筑仿生有序微米-亚微米-纳米多级结构，探明表面拓扑结构、微/纳 米尺度及晶型等对细胞行为的影响，强调了有序微/纳米多级结构在调控细胞生物性能方面所起的关键作用；（4）通过贻贝蛋白衍生物及多种无机/有机添加物（如钙磷涂层、掺鍶、纳米银、抗菌肽以及丝素蛋白等）对3D打印多孔钛表面进行活性因子改性组装，发展具有临床应用前景的高效抗菌及促成骨活性材料。