活化低模量Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr和Ti-Nb-Zr-Sn系合金的生物相容性

摘要

实验目的:纯钛和Ti-6Al-4V因具有合适的强度、优良的抗腐蚀性能和较好的生物相容性而广泛应用于人体硬组织替代物如种植牙。尽管钛合金的硬度比CoCr合金及不锈钢低得多，但仍比骨皮质高。而新近研制的β型钛合金Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr(以下简称TNTZ)具有较低的硬度，能有效地提高骨的愈合和重建。目前，医用钛合金的研究趋势是开发低硬度β型、无毒无过敏成分且具有良好的机械特性的钛合金。因此，一种更新的具有自主知识产权的Ti-Nb-Zr-Sn系(以下简称TNZS)合金由中国科学院金属研究所研制成功，它具有更低的弹性模量，同时具有高强度。 钛能够与氧气反应在表面形成氧化钛，钛及钛合金表面的这层氧化层使其具有良好的生物相容性。然而，没有一种合金能与骨形成化学结合。解决这个问题的一个方法是在合金表面形成一薄层具有高生物相容性的Ca-P涂层。制造涂层的方法包括Dipcoating法、电子束沉积法、热等静压法、激光沉淀法和等离子喷涂法等。其中，等离子喷涂方法在国内外的研究和应用最广泛。近来开发出一种新的主要通过在种植体表面活化处理之后进行化学反应形成生物涂层的方法。比较上述的物理方法，化学处理方法工艺简单，投资少，可以为复杂形状的种植体制备均匀的涂层。与其它医用钛合金相似的是TNTZ和TNZS合金不能与骨组织进行化学结合。先前的研究显示氧化处理钛合金可以在它的表面形成坚硬的膜，这可以极大地提高它的抗磨能力。如果氧化处理后的表面具有生物活性，种植体将在浸入生物溶液后形成Ca-P涂层，并且抗磨能力同时被提高。 评价一种生物材料的生物学性能必须考虑材料的力学性能、物理性能和化学性能，还有宿主反应。当某种材料准备用于人体，对其进行生物学性能评估极为重要。对于医用材料的选择通常主要考虑生物相容性。一种材料的生物相容性可能通过在体和离体实验来评估。离体实验通常被认为是检测材料毒性的首要方法。在众多在体实验中，通常用骨整合方法来衡量骨内种植体的生物相容性，同时检测种植体的炎症反应。许多在体种植体研究已经尝试通过不同方法测量种植体-骨界面的力学行为来了解种植体-骨界面。也有人试图通过定性和定量的评价来描述种植体-骨界面、不同种类生物材料的结构特性。 该研究通过离体实验、在体实验对TNTZ、TNZS合金的生物相容性、经氧化加碱性活化表面处理的合金形貌和表面改性后的生物活性进行检测，并运用三维有限元分析法检测不同模量和不同载荷对下颌骨和种植体应力分布的影响。 实验方法: 1.用三维有限元方法分析不同模量和不同载荷对下颌骨和种植体应力分布的影响。 2.生物相容性检测 2.1材料和表面处理 熔炼TNTZ所用原材料高纯钛板、Nb板、Ta板和Zr板，合金化学成分(质量分数，％)为：Nb30.2，Ta12.4，Zr4.8，Ti余量。清洁后的试样在空气中干燥，然后进行氧化加碱性活化表面处理。 TNZS合金熔炼和表面处理方法省略。 2.2活化TNTZ合金表面钙磷涂层的形成和生长的检测 用氧化加碱性活化方法处理TNTZ合金表面，使其具有生物活性。在400℃下氧化处理24h，然后进行碱处理，再将处理好的试样在两种仿生溶液中浸泡，一种是模拟人体体液，一种是快速生物活性鉴别液。通过扫描电镜观察活化处理后TNTZ表面特征，并用X射线衍射光电子波谱仪检测表面处理后的TNTZ的Ca-P沉积。 2.3体外试样制备 纯钛、Ti-6Al-4V、TNTZ和TNZS合金各12枚，直径10mm，厚1.0mm，圆盘型。所有材料由中国科学院金属研究所提供。 2.4体内试样制备 纯钛、Ti-6Al-4V、TNTZ、TNZS合金被加工成20枚直径3.3mm、长6mm的圆柱状种植体。其中10枚不进行表面活化处理，另10枚进行氧化加碱性活化处理。 2.5消毒试样 所有试样，包括用于体外实验的圆盘型试样和用于体内实验的圆柱状试样均在丙酮溶液和乙醇溶液中各进行超声波清洗10min。在空气中干燥后进行常规消毒。 2.6体外实验 体外实验选用大鼠牙龈成纤维细胞。用浸浴TNTZ和TNZS合金后的细胞培养液培养大鼠牙龈成纤维细胞，噻唑蓝染色法(MTT)观察细胞生长率；将生长良好的大鼠牙龈成纤维细胞分别接种在TNTZ、TNZS、Ti-6Al-4V合金和纯钛表面，丫啶橙染色后荧光显微镜下计数贴壁细胞数目及细胞在金属表面增殖情况，并用扫描电镜观察粘附细胞的形态。这样我们能了解低模量TNTZ和TNZS合金对牙龈成纤维细胞生物学行为的影响。 2.7体内实验 在生理盐水灌注下用种植机使用常规方法在兔子左股骨处制备3个植入腔。随后植入种植体。植入12周后处死动物。将含有种植体的骨块立即固定在福尔马林缓冲液中。首先用X光检查种植体-骨界面，然后制作不脱钙切片，用光学显微镜观察骨结合情况，并进行图像分析。 实验结果: 1.三维有限元模拟结果显示：随着种植体杨氏模量降低，在骨松质区的应力将减少，而在皮质骨区的应力将轻微增加，这对易受损伤的骨松质是有益的。 2.经氧化加碱性活化处理的TNTZ，在模拟人体体液(Simulatedbodyfluid，SBF)溶液中浸泡后，合金表面有大量球状沉淀生成，而在快速生物活性鉴别液(Fastcalcificationsolution，FCS)中浸泡后，合金表面的生成物为片状，X射线衍射分析结果表明，在两种仿生溶液中浸泡后合金表面的生成物主要为磷酸钙；而在SBF溶液中浸泡后合金表面生成的物质很薄。 3.MTT实验显示TNTZ和TNZS合金对大鼠牙龈成纤维细胞没有不良影响。细胞粘附和增殖实验显示TNTZ、TNZS合金与纯钛对大鼠牙龈成纤·3·维细胞初期粘附和增殖的影响没有差异。 4.体内实验显示经过氧化加碱性活化处理的TNTZ、TNZS合金及纯钛种植体比未经过表面活化处理的种植体与骨结合得更好。 结论: 1.可以推断出降低弹性模量是提高种植体生物力学相容性的有效途径。 2.对氧化处理后的Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr合金进行碱处理，其表面具有了生物活性。将处理后的合金在仿生溶液中浸泡后，有类似骨组织的磷酸钙生成。 3.TNTZ和TNZS合金具有十分优异的组织相容性。 4.经过氧化加碱性活化表面处理后，TNTZ和TNZS合金具有十分优异的生物相容性，氧化加碱性活化方法是性能优异的表面处理方法。

目录

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中文论著摘要

英文论著摘要

英文缩略语

论文一弹性模量和加载力对种植体和骨松质、骨密质应力分布的有限元分析

前 言

实验材料与方法

实验结果

讨 论

结 论

论文二Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr和Ti-Nb-Zr-Sn系低模量钛合金对大鼠牙龈成纤维细胞的生物学行为的影响

前 言

实验材料与方法

实验结果

讨 论

结 论

论文三氧化加碱性活化低模量钛合金材料的生物相容性评价

前 言

实验材料与方法

实验结果

1.对氧化加碱性活化方法处理TNTZ表面的检测结果

2.大体标本观察

3.X线摄片检查结果

4.不脱钙切片观察

5.骨结合率定量检测结果

附图（一）

附图（二）

讨论

结 论

本研究创新性的自我评价

参考文献

综 述钛及钛合金应用于口腔种植体的研究进展

一、钛及钛合金是具有优良特性的牙科种植材料

二、几种新型钛合金的特性

三、钛基种植体的骨结合

四、钛基种植体的表面改性

总结

参考文献

在学期间科研成绩

致 谢

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