螺旋结构多孔钛的超弹性变形行为与骨组织生长间关联关系的研究

Porous metal has been used as bone implant clinically. During the application, a fast in-growth of cell and bone tissue into pores is always desired. However, the relatively slow in-growth rate of bone cell and tissue into pores resists the application of porous metal in bone tissue engineering. In this proposal, titanium fibers were used to prepare porous titanium by a patent method. By the controlling the pore structure, the porous titanium is of superelasticity. The effect of the pore structure on the mechanical properties, the superelasticity and fatigue property was studied and the relationship between the superelasticity and the bone ingrowth was investigated in order to establish a qualitative or quantitative relationship between the pore structure, superelasticity and bone ingrowth. The control mechanism will be also discussed. It was suggested that the research result will enrich the design theory of porous metal for biomedical application and will also provides theoretical guide for the preparation of the porous metal.

多孔金属材料已经在种植体和骨植入器械中得到应用。在应用的过程中，如何促进细胞和骨组织长入孔隙内部一直是追求的目标，也是阻碍多孔金属在大面积骨缺损治疗中应用的关键问题。申请者选择纯钛丝，采用钛丝缠绕烧结技术制备具有螺旋结构的多孔钛，通过控制孔隙结构使多孔钛具有超弹性变形性能，研究螺旋结构和孔隙结构对其力学性能、超弹性变形性能以及疲劳性能的影响规律，研究多孔钛超弹性变形性能与细胞生长和骨组织生长的关系，定性或者定量描述多孔钛螺旋结构、孔隙特征、力学性能、超弹变形性能与细胞相容性和骨组织生长间的关系，探讨螺旋结构多孔钛促进骨组织生长的机制，丰富医用多孔金属设计理论，为发展医用多孔金属材料提供实验支持和理论指导。

人工骨最为重要的是如何传导甚至诱导骨组织长入。影响骨组织长入的因素很多，从人工骨的角度，材料的表面结构、化学成分、力学性能都堆骨组织的长入有着显著的影响。.采用计算机辅助设计+机械缠绕+真空烧结的方法制备了多孔钛，并通过结构设计、表面处理使得多孔钛在孔隙结构、表面结构、力学性能等几个方面与骨组织相近，使得多孔钛具有骨组织传导和诱导的作用。另外，通过表面药物涂层系统，释放具有促进骨组织生长的中药，可以显著地促进细胞的粘附和生长。系统地研究了，多孔钛孔隙结构、孔隙率对多孔钛力学性能的影响规律，药物释放系统对多种细胞粘附和生长曲线的影响规律。.骨修复存在另外一个问题就是修复之后的感染。由于多孔结构，因此采用后续的外用药物，很难到达病灶。作为一种解决方法就是人工骨本身具有抗菌抗感染的效果，而且这种功能是长期有效的。基于这样的想法，本项目探索发展一种具有抗菌性能的钛合金，希望将这种抗菌钛合金制备成钛丝，应用于多孔钛的制备中，发展一种具有骨组织诱导功能和抗菌抗感染功能的多孔钛。较为系统地研究了这中Ti-Cu合金的力学性能、抗菌性能、耐蚀性能和离子溶出性能。探索将这种合金变形成为丝材的可能性，以及在多孔钛制备过程中对抗菌性能的潜在影响。上述研究仍然在继续进行中。.通过上述研究，初步可以确定以下几点结论：.1. 通过结构设计和烧结问题调节，可以将多孔钛的孔隙率控制在50-90%，孔径200-1000um，压缩可恢复弹性变形5-15%，压缩屈服强度100MPa-200MPa.2. 表面化学处理可以显著改变钛丝表面的形貌和亲水性能、诱导羟基磷灰石的沉积能力以及细胞的粘附和生长，其中碱热处理的效果最佳。.3. 带药系统可以显著促进细胞的粘附和生长，而且可以保持药物释放的控制。其中前一周的药物释放比较显著。.4. 抗菌钛合金可以应用于多孔钛的制备，但是钛丝的制备过程和多孔钛的真空烧结过程都将影响合金的抗菌性能。其中，温度是影响其抗菌性能的主要因素。