3D打印多孔结构钛基植入体表面改性研究

来源 :南京航空航天大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:xiaoxz
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随着3D打印技术的发展,3D打印钛基植入体在生物医用植入体领域得到了广泛的关注与应用。但是,未经改性的3D打印钛基植入体表面生物活性低,植入体骨整合周期较长,影响治愈周期及临床应用成功率。因此需要对其进行表面改性处理,使3D打印钛基植入体能够更好应用于生物体内。本文采用3D打印技术制备多孔结构纯钛生物医用材料,并对其进行预处理以及表面改性处理。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线能谱仪(EDS)、接触角测量仪、X射线衍射仪(XRD)等测试方法对表面形貌、成分组成、表面润湿性等进行表征和分析。并通体外仿生矿化实验对各组样品表面的生物矿化性能进行了研究,分析了不同表面对其影响以及相关机理。通过对3D打印用纯钛粉末、成型后的多孔结构样品和不同的表面处理方式对样品表面的影响的探究。结果表明,利用3D打印成型技术制备出多孔结构纯钛植入体的孔隙率为64.21%,符合所设计的要求,且弹性模量为1.8±0.24 GPa,接近松质骨(0.1-0.5 GPa)和皮质骨(12-18GPa)的弹性模量,更加适合植入体要求。采用酸蚀处理、酸蚀+退火处理、酸蚀+碱蚀处理、酸蚀+水热法处理对3D打印纯钛样品表面进行预处理,去除表面未熔合金属粉末,表面微观形貌发生改变,各组样品表面均有不同程度的微纳结构的孔洞生成。对同等3D打印条件下的致密纯钛样品进行相同条件的表面预处理,进行接触角测试,结果表明,各组样品表面接触角分别为49.54°、48.63°、16.61°及5.53°,与未进行任何处理的样品表面接触角79.05°相比,预处理后的样品表面润湿性均能得到改善,表现出较好的亲水性甚至是超亲水性。采用酸蚀作为3D打印多孔钛改性前的预处理工艺,对预处理后的多孔钛进行生物化学方法改性,即通过聚多巴胺(PDA)为过渡层,进一步接枝生物活性大分子酪蛋白磷酸肽(CPP),在结构复杂的多孔钛表面制备PDA-CPP复合生物活性涂层。结果显示,浸泡法能在表面成功制备出PDA-CPP复合涂层,经过生物活性涂层的修饰,使表面润湿性得到改善,PDA薄膜修饰的样品表面接触角为36.16°,PDA-CPP复合生物活性涂层修饰的样品表面接触角为23.54°;体外仿生矿化表明,复合生物活性涂层改性后的样品表面矿化性能得到明显提高,由于PDA含有的酚羟基与钙离子作用,以及CPP丰富的磷酸丝氨酸基团螯合钙离子生成可溶性物质提高周围的钙离子浓度,共同为羟基磷灰石提供了更多的形核位点,增强羟基磷灰石与基体间的结合,并形成细密疏松的形貌,矿化后的多孔结构支架也被羟基磷灰石层包裹,说明PDA-CPP生物活性涂层的修饰不受结构形状的限制。采用具有良好的生物相容性的植酸(PA)及氢氧化钙溶液对酸蚀预处理后的多孔钛进行含钙、磷表面化学活化处理,分别通过一步法和两步法浸泡使多孔钛表面成功引入钙、磷元素。结果显示,化学活化改性后的表面由于钙、磷元素及羟基基团的存在,使表面润湿性得到改善其中一步法处理的表面接触角为21.04°,两步法处理的表面接触角为22.92°。体外仿生矿化结果表明,一步法处理的PA/Ca(OH)2表面以及两步法处理的PA+Ca(OH)2表面均能较快的诱导羟基磷灰石沉积,由于引入了钙元素和磷元素,改性后的表面能促进羟基磷灰石形核,两者均具有优异的生物矿化性能。其中,PA+Ca(OH)2表面表现出的生物矿化性能更好是由于表面Ca2+和羟基含量增加,并且钙元素自身的生物与化学性质也导致羟基磷灰石更易在表面形成。
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