骨折修复用多孔铌钽钛生物材料的有机模板法制备及表面微环境构建

The service lives of solid metallic materials used for bone fracture repair are usually affected by the mismatch of high elastic modulus (stress-shielding effect) and poor stabilization of the bone-implant interface. Therefore, it has become a key problem to obtain bone-implant interface with good bone bonding as well as achieve a balance between unique pore structure and good mechanical properties. In view of the above-mentioned facts, the present study presents a novel way to fabricate porous Nb-Ta-Ti alloys by the combination of the sponge impregnation technique and sintering method. The porous Nb-Ta-Ti alloys exhibit an accurately controllable pore structure and similar elastic modulus to natural bones. The porous scaffolds are modified with hydroxyapatite (HA) coating to obtain HA/porous composite scaffolds by ultrasonic assisted electrochemical deposition. Furthermore, this study focuses on investigating the mechanisms of regulating mechanical properties by adjusting microstructure, composition and pore structure of porous materials. In addition, the internal relationship between the modes of bone healing/ingrowth and interaction effects of bone-implant interface is analyzed. It is also endeavored to explore the relationships between preparation method, microstructure and mechanical properties of porous metallic materials. Finally, the relevant theory foundation of composition, microstructure and surface characteristics for porous metallic scaffolds will be provided.

骨折修复用金属材料的使用寿命通常受到致密金属弹性模量过高引起的“应力屏蔽”、植入材料-骨组织界面稳定性不佳的综合影响。因此，如何获得与骨结合性良好的材料表面微环境，达到同时满足孔隙结构良好和生物力学性能与骨组织适配的目的，是目前生物医用材料领域备受关注的热点问题。针对以上论述，本研究提出一种问题解决的新思路：采用有机模板浸渍技术和粉末冶金方法相结合，探索制备孔隙特性可控、生物力学性能适宜的多孔Nb-Ta-Ti合金支架；基于超声电沉积法，采用复合沉淀反应耦合水热处理技术，在多孔支架表面修饰羟基磷灰石。重点研究材料合金成分、微观结构和孔隙特性调控材料力学性能的机理；构建材料表面微环境，探究骨组织愈合及内生模式与材料-组织界面结合情况的内在关联；建立材料制备-结构-性能的多重构效关系，为评价高孔隙合金支架在骨折修复应用背景下的成分、结构设计与表面环境构建提供科学理论依据。

采用模板浸渍技术与真空烧结工艺相结合的方法，可制备出具有三维连通孔隙结构的多孔合金，孔隙结构具有高度的仿生性，适宜的烧结条件也能够保证合金以单一β相存在。.在优化的制备工艺条件下，浸渍过程中粘接剂浓度、单位体积粘接剂中所含粉末的质量分数等参数可以达到控制多孔合金的孔隙率、孔隙尺寸、孔径分布的目的；模板浸渍技术所制得的多孔合金具有独特的三维连通孔隙结构同时具有极高的开孔隙度，与人体骨组织十分接近。同时，可控的孔隙特性进而影响合金的力学性能。所制备的多孔合金孔隙度、力学性能可以在较大范围内变化，从而最大程度满足不同的植入需求。.采用仿生溶液浸泡法，评价Nb-Ta-Ti合金表面磷灰石形成的能力，初步预测材料与骨结合能力。同时，采取不同的预处理方法对材料进行表面处理，改善合金表面的粗糙程度及亲水性能，探讨预处理后材料表面性状对于磷灰石形成能力的影响，同时阐明表面矿化机理。低、高孔隙度合金对于预处理敏感程度差异明显，多孔合金独特的三维连通孔隙结构，能够有效促进钙磷在材料表面沉积。.通过细胞毒性实验、RT-PCR技术测定合金表面基因表达情况对Nb-Ta-Ti合金进行体外生物相容性评价。着重围绕合金元素及孔隙结构对于细胞浸提液毒性的影响，孔隙结构对于细胞粘附、增殖行为的影响，孔隙结构对于基因表达的影响三个方面展开系统性研究和讨论。采用新西兰大白兔模型，通过影像学、硬组织切磨片、扫描电镜和扫描电镜对比低孔隙度Nb-Ta-Ti合金及高孔隙度Nb-Ta-Ti合金在家兔股骨髁部植入后骨整合情况，为临床应用提供了详实的实验依据。结果表明，高孔隙度Nb-Ta-Ti合金在硬组织工程支架的应用方面有巨大的前景，其适宜的孔隙结构能够为体液环境中营养物质的传输、废物的代谢提供良好的通道，同时有利于细胞的粘附、增殖等各项行为的表达。