编辑: 星野哀 | 2014-11-12 |
另外,多孔 Ti 与钛合金独特的孔隙结构有 利于体液和营养物质的输运,粗糙的表面有利于新生骨组织向植入物内部的分化和生长,促 进孔隙内部骨组织的快速形成及与外部骨组织的有效链接,骨组织与植入物之间以骨键合的 形式提高结合强度[3~5] .因此,多孔 Ti 和钛合金被认为是目前最有应用前景的生物医用材料 之一,众多学者针对多孔 Ti 及钛合金的制备方法和表面处理做了大量的研究工作[6~8] . 文献[9] 报道了分别在 Ti-xHA (hydroxyapatite) (x=5%、10%、30%、40%)材料表面用脉冲 烧结法成功制备出多孔结构.结果表明,脉冲烧结制备的 Ti-xHA 材料多孔表面主要成分为 Ti 和HA,此外还有 Ti2O、CaO、CaTiO
3、TixPy 等成分;
较高浓度的浸提液 H3PO4 对试样表 面的影响也较大;
当x大于 30% 时,材料表面也形成了多孔的微观结构,但Ti 和HA 的相 对密度和硬度都较低.文献[10] 报道了用 TiH2 悬浮液真空发泡法成功制备较高孔隙率的多孔 Ti 支架. 研究表明,
2 组不同条件下如处理的多孔 Ti 都具有分布均
一、 形状规则的孔隙结构;
真空热处理的多孔 Ti 具有较高的孔隙率((82±1.3)%)和较大的孔径((150±65) μ m), 但压缩 强度较低, 约为(8.9±1.6) MPa. 文献[11] 报道了用选择性激光熔覆法制备开孔的多孔 Ti-6Al-4V, 可用于替代人体皮质骨和松质骨.结果表明,孔隙率为 67%的多孔钛合金的性能与人骨匹配较 好,其Young'
s 模量为
15 GPa,屈服强度为
129 MPa,可有效减少应力屏蔽效应. 文献[12] 报道了用激光成型法制备多孔 Ti, 以纯 Ti 为参照对象研究了室温准静态条件下孔 隙率分别为 10%和20%的多孔 Ti 的力学性能和生物相容性.多孔 Ti 的刚度随孔隙率的增大 而下降,激光成型法获得的多孔 Ti 有利于细胞的黏附和增殖,且无毒性.文献[13] 报道了用
3 种大小不同的 Ti-7.5Mo 颗粒烧结法制备了多孔钛合金支架,制备所得到多孔 Ti 的压缩强度 和模量都满足松质骨力学性能的基本要求;
但球磨
15 h 制备得到的多孔钛合金有较高的强度, 弹性模量为 1.72 GPa, 与松质骨弹性模量相近;
预处理后它表现出了较好的磷灰石形成能力, 为骨组织的固定与生长提供了有利的生物活性条件.文献[14] 报道了用等离子喷涂法制备孔隙 率为 40%的多孔 Ti 植入物.研究表明, ;
改性处理能有效提高多孔 Ti 的生物相容性,促进骨 组织的黏附和增殖,有利于缩短骨修复的周期;
多孔 Ti 也具有较好的力学性能,满足临床应 用力学相容性的要求. 迄今为止,我国学者主要从多孔 Ti 与钛合金的制备方法、表面处理技术、微结构与性能 的关系及生物相容性等角度做了大量的研究工作.本文综述了国内多孔钛与钛合金的制备、 表面改性及其对性能影响的研究现状,分析评价了多孔 Ti 在力学性能与生物相容性方面的优 势,展望了国内多孔钛的研究方向和热点问题. ACTA METALLURGICA SINICA
1 医用多孔 Ti 和钛合金的基本要求 医用多孔 Ti 和钛合金是一种由刚性骨架和内部孔洞组成、具有特殊性能的人体硬组织替 换材料,与骨相似的力学性能及独特的孔隙结构使其成为当今医疗临床领域继不锈钢和钴合 金之后崛起的第三代医用金属材料. 针对多孔 Ti 的使用目的,作为医用的多孔 Ti 必须具备如下条件[15~18] : (1) 与人骨相近的力学性能.弹性模量等力学性能是多孔 Ti 作为人体骨组织替代材料必 须考虑的首要问题, 如同时具备与人骨匹配的弹性模量(致密骨弹性模量 3~30 GPa, 松质 骨弹性模量 1~2 GPa )及足够的力学强度(致密骨抗压强度 0.3~1.5 MPa,松质骨抗压强度 100~230 MPa)[2] ,则需要综合考虑孔隙率、强度和弹性模量之间的关系,在强度与弹性 模量之间找到合适的平衡,使多孔 Ti 植入物既满足体内承载要求,又兼具力学相容性. (2) 一定的生物相容性和生物活性.生物相容性和生物活性是多孔 Ti 植入体临床应用成 功的基础,有利于成骨细胞的黏附、增殖和生长,促进骨细胞向植入体内长入,形成植 入体与骨之间的生物固定.连通的孔隙结构一定程度上提高了 Ti 植入体的生物相容性, 但Ti 属于生物惰性材料,它与植入体之间只能是机械结合.适宜的化学组成、结构形态 与表面性能能够改善和提高多孔 Ti 的生物活性,有利于植入体与骨组织之间形成良好的 骨键合.因此,表面改性对于提高多孔 Ti 生物相容性和生物活性来说非常重要. (3) 足够的孔隙率,孔隙贯通性好.通过孔隙率、孔径尺寸和孔隙分布等参数调控多孔 Ti 的力学性能, 使之与自然骨匹配, 适宜的孔隙率为 50%~80%, 孔径尺寸为 150~500 μm, 这也为细胞的向内生长和体液的流动创造了条件. (4) 一定的耐蚀性. 孔隙的存在使多孔 Ti 在体液环境中发生复杂的局部腐蚀, 极其发达的 表面积增加了植入体与体液接触反应的机会, 腐蚀破坏极易发生. 腐蚀速率与体液环境、 孔隙率、孔隙形貌及其结构等因素密切相关,可见孔隙率等相关参数也是调控多孔 Ti 耐 蚀性能的关键. 作为最有潜力的骨修复材料,多孔 Ti 必须起到一定承力作用,同时具有与骨组织相容的 力学性能,避免应力集中引起的手术失败;