植入体微纳双级结构表面设计制造及其结合能力研究

In order to solve the problem of poor implant osteointegration, the mapping relation between hierarchical micro-nano-structured surface and organisms is investigated, which improves the binding capacity and reliability of implants and bone in theory and application. . The design, manufacturing and evaluation of micro-nano-structured surface are proposed. Firstly, the mapping relation of micro-nano-structured surface and surface function is established. Based on bionic theory, micro patterns (shape,size,density,distribution and contour) and nano pores are designed and optimized. Secondly, the combined manufacturing method of micro-nano surface is presented. That is, micro machining technology is employed to obtain micro patterns and chemical method is used to get nano-porous surface. Finally, micro-nano structures are evaluated in cell binding capability. The biological activity is tested by cell culture experiments and the fixation ability is tested by pull-out torque.. The results can enrich micromachining theory, and lay the theoretical and technical basis for applications in biomedical engineering.

针对生物医学钛合金植入体与骨细胞结合能力差的难题，探索生物材料表面的微纳双级结构及其与生命体的映射关系，对于提高植入体与骨结合能力以及工作可靠性具有重要的理论意义和应用价值。. 提出微纳双级结构表面协同作用的设计制造和评价方法。首先，建立微纳双级结构与表面功能间的映射关系，提出植入体微纳双级表面设计理论，借助仿生设计优化植入体表面微米级阵列结构（形状、尺寸、密度、轮廓）和纳米级微孔结构；其次，提出微纳双级结构表面的复合加工技术，利用机械微加工技术获得微结构阵列，以化学方法制造表面纳米微孔；最后，提出微纳双级结构与骨细胞结合能力的评价方法，根据细胞培养实验检验结合速度，根据动物实验测试牵出力矩评价结合强度。. 研究内容反映了机械加工和生物医学的深度交叉，研究成果可为机械加工在生物医学领域中的应用提供技术基础。

针对生物医用钛合金植入体与骨细胞结合能力差的难题，探索生物材料表面的微纳双级结构及其对生物活性的影响。. 利用喷砂酸蚀在医用钛合金表面构建微米形貌，分别利用碱热法和化学氧化法在微结构表面构建纳米网格和纳米管结构，在钛植入体表面获得两种微纳米双级结构。通过细胞形态表征、细胞计数、MTT实验、ALP活性、OCN表达以及细胞矿化实验检验不同表面对细胞生长的影响。结果表明，微米结构和纳米结构在一定程度上有利于细胞的伸展、增殖和分化。微纳双级结构表面对于细胞行为的调节和促进作用最为明显。细胞在微纳结构表面表现出更高的生物活性。. 利用微细铣削加工技术在医用钛合金表面构建垂直方向的微沟槽结构，分别利用碱热法和化学氧化法在微结构表面构建纳米网格和纳米管结构，在钛植入体表面获得两种微纳米双级结构。结果表明，微纳双级结构表面亲水性最好，促进细胞的粘附、伸展、增殖和分化。.通过水热法在微纳结构表面植入钙离子和镁离子、锌离子和锶离子，获得具有钙离子、镁离子、锌离子、锶离子的微纳双级结构。结果表明，微纳双级结构在一定程度上有利于细胞的伸展、增殖和分化。含有离子的微纳双级结构表面对于细胞行为的调节和促进作用更为明显。.使用EBM技术制备了钛棒植入体，通过超声酸蚀+阳极氧化复合后处理方法，构建微纳米多级结构。将改性后钛棒植入大鼠股骨内，通过影像学观察、Micro-CT和组织学分析等方法，评价其体内骨整合效果。超声酸蚀+阳极氧化改性后的钛棒周围新生骨量明显增多，并且结合效果更佳，证明该微纳多级结构可以增强植入体的成骨性能。. 本研究利用多种方法制备出具有微纳米双级结构的钛植入体，促进成骨细胞增殖明显，为植入体制备制备提供了多种加工工艺，为提高植入体与骨结合能力以及工作可靠性具有重要的理论意义和应用价值。