HA-Ti复合材料个体人骨仿生设计及激光选区烧结成形的基础研究

本项目利用MicroCT获取个体人骨修复部位的三维微观结构数据，经反求与数据优化，建立适用于快速成形技术的个体人骨仿生支架模型。以HA为生物活性原料，应用SLS直接制备Ti/HA复合人工骨，通过调节制造过程中的各个参数，实现对个体化人骨修复或替代物的微孔钛基复合支架的仿生制造。通过仿生矿化法在其表面生成结构与组成均与天然骨相近的类骨磷灰石层，达到人骨修复或替代物与人体组织的骨性结合，并研究其形成机理；通过添加生物活性因子以提高其生物活性及生物响应性能，并进一步从分子水平上探讨各种蛋白、生长因子、酶、激素、微量元素及各种细胞对骨中无机相的生成与矿化的影响及调节功能。项目研究将解决以往钛基人骨制造中存在的关键问题，使人体骨细胞在网板周边及界面上爬行，达到细胞水平的键合，使产品与人体原骨组织生长为一个整体，对于人体大段承力骨缺损的个体修复或替代的研究具有重要的科学意义和实用价值。

创伤、疾病等原因导致的骨缺失或缺损是临床医学的常见病，对于轻微骨损伤，骨组织具有自身修复的能力，但对于大段骨缺损，骨自身难以完全修复。同时人体骨骼外形复杂，并存在个体化差异。骨组织工程支架是用于修复人体组织和器官损伤的替代物，它具有个体人骨的外形，满足人骨的机械性能与生物活性。本项目主要研究了个体化人工骨支架的三维仿生设计；以羟基磷灰石及钛合金粉为主要成形材料，研究了直接激光选区烧结仿生制造技术。. 根据生物特性要求，骨缺损修复材料应该具有可控制的非均质多微孔连通梯度分布的基本结构。项目主要针对人体承力骨，利用MicroCT获取个体人骨修复部位的三维微观结构数据，对支架的内部微结构及仿形过程进行研究，设计了具有一定孔隙率和梯度孔隙、三维贯通，满足人骨机械性能的有利于成骨的支架微结构，采用有限元软件对其进行优化分析；借助于UG软件的二次开发语言，设计出了一种通用方法，将支架微结构与外形仿生结合，获得了组织工程骨支架模型。建立了适用于快速成形技术的个体人骨仿生支架模型。. 以钛合金粉为原料，研究了应用SLS快速成形技术制备人工骨支架的成形技术。通过对铺粉装置、密封装置、温控装置等主要零部件的设计与研究，研制出可直接烧结金属粉末的成形设备。研究了金属粉末直接烧结过程中激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度、扫描方式等工艺参数对成形特性的影响规律，优化确定出了激光功率为90W，扫描速度为160mm/s，扫描间距为0.05mm，铺粉层厚为0.1mm，扫描方式为跳转变向等工艺参数，烧结制备的支架孔隙率为65.88%，孔径分布为100μm-800μm，孔壁厚500μm，孔隙相互连通，抗压强度为106MPa，与人体承力骨参数匹配性较好。. 通过仿生矿化法在微孔钛基支架表面生成了结构与组成均与天然骨相近的类骨磷灰石层。研究了前处理方法、沉积液初始pH值、培养温度和浸泡时间等工艺参数对涂层生长速度、形貌和钙磷比的影响规律。研究了乙二胺四乙酸二钠自组装对涂层形貌的影响，结果显示自组装功能基团能够诱导HA钙磷涂层在钛合金表面进行有序生长，能够增加球形HA晶粒的尺寸均匀性，表明自组装功能基团是实现涂层可控化生长的有效手段。. 项目解决了钛基人骨存在无法实现骨性结合，寿命短，因应力屏蔽造成骨坏死等关键问题，对人体大段承力骨缺损的修复或替代研究具有重要的科学意义和实用价值。