粉末冶金钛/磷酸钙骨植入材料的网络结构调控及界面研究

It is the frontier and hotspot of biomaterials research to functionally design the bulk material and the surface of materials or even develop a new material based on the concept of bionic. The biomedical applications of Ti and Ti alloys have been limited because of the mismatching of Young’s modulus of Ti or Ti alloys with that of human bone and non-bioactivity. This proposal combines the resorbable calcium phosphate ceramic with Ti metal to fabricate the Ti/Tricalcium phosphate (Ti/α-TCP) composite through spark plasma sintering. It is expected that the composite with sintered network structure of Ti and α-TCP ceramic can have excellent mechanical properties and bioactivity. In this proposal, the effect of composition, synthesis condition and technical parameters on the network structure, crystal phases and mechanical properties will be studied. Then the interaction of preparation-structures-properties will be illustrated. The influence of sintering temperature and degradation on the crystal phases and microstructures of the interface will be investigated. The formation and reaction mechanism of the interfaces will be concluded. The relationship among the degradation, network structure and mechanical properties will be revealed by studying the in vitro degradation behavior of the composites. Based on the above researches, the technical prototype for fabricating the Ti/α-TCP bone replacement material, which is bioactive, degradable, with similar strength and Young’s modulus to human bone, will be build. The project has important scientific significance for improving the performance and the long-term stability of titanium implants.

基于仿生理念对材料块体或表面进行功能化设计甚至构建全新的材料是当前生物材料研究的前沿和热点。钛和钛合金植入材料的应用由于其弹性模量和自然骨不匹配且不具有生物活性而受到了限制。本项目以钛为研究对象，将可降解的磷酸三钙陶瓷（α-TCP）与其复合，采用放电等离子烧结法制备高强度、低模量、高生物活性和可降解的钛/磷酸钙复合材料，以期形成具有金属和陶瓷的连续网络结构。项目拟通过研究成分配比和制备参数对复合材料的网络结构、相组成、力学性能的影响，阐明材料制备-微观结构-材料性能之间的关系规律；研究烧结温度和降解对界面相组成和微观结构的影响，阐明复合材料中界面形成和反应机理；通过研究体外模拟环境中复合材料的降解行为，揭示降解过程对网络结构，弹性模量和强度衰退的影响规律；并对材料进行生物学评价；构建制备新型钛/磷酸钙骨植入材料的技术原型。项目的开展对改善钛植入体的性能和长期稳定性，具有重要的科学意义。

基于仿生理念对材料块体或表面进行功能化设计甚至构建全新的材料是当前生物材料研究的前沿和热点。钛和钛合金植入材料的应用由于其弹性模量和自然骨不匹配且不具有生物活性而受到了限制。本项目以钛为研究对象，将可降解的磷酸三钙陶瓷（α-TCP）与其复合，采用放电等离子烧结法制备出了高强度、低模量、高生物活性和可降解的钛/磷酸钙复合材料，其具有金属和陶瓷的连续网络结构。项目通过研究成分配比和制备参数对复合材料的网络结构、相组成、力学性能的影响，探讨了材料制备-微观结构-材料性能之间的关系；研究了烧结温度对界面相组成和微观结构的影响，讨论了复合材料中界面形成和反应机理；研究了体外模拟环境中复合材料的降解行为，揭示了降解过程对微观形貌，弹性模量和强度衰退的影响规律；并对材料进行生物学评价，证明复材料具有优良的生物活性和生物相容性。为了进一步改善复合材料的综合性能，还在材料中加入钛网，制备了钛/磷酸钙/钛网复合材料，并对其微观组织、界面反应、力学性能、生物活性和生物相容性进行了研究。结果表明加入钛网后材料的力学性能得到了改善，界面反应更加复杂，该复合材料同样具有优良的生物活性和生物相容性。项目的开展对改善钛植入体的性能和长期稳定性，具有重要的科学意义。