不同胞元结构多孔钛合金支架的力学性能

目的研究不同胞元结构对多孔钛合金支架静态力学性能和动态力学性能的影响,为临床下颌骨缺损修复支架的应用提供力学理论基础。方法采用3D打印技术制造钻石胞元、立方体胞元和截面立方体胞元结构的多孔钛合金支架,开展支架单轴压缩试验和压缩棘轮疲劳试验,分析不同胞元结构支架的静态和动态力学性能。结果钻石胞元、截面立方体胞元、立方体胞元支架的弹性模量分别为1.17、0.566、0.322 GPa,屈服强度分别为71.8、65.1、31.8 MPa。棘轮应变达到稳定阶段后,截面立方体胞元结构、钻石胞元结构、立方体胞元结构支架的棘轮应变分别为3.3%、4.0%、4.5%。棘轮应变随平均应力、应力幅值和峰值保持时间的增加而增加,随加载速率的增加而减小。结论静态力学性能的评估结果为钻石胞元支架最优,截面立方体胞元支架次之,立方体胞元支架最差;动态力学性能评估结果为截面立方体胞元支架最优,钻石胞元支架次之,立方体胞元支架最差。研究结果为临床下颌骨缺损修复支架的构建提供新思路,也为该支架技术的进一步临床应用提供实验依据。

3D打印多孔钛合金支架的研究进展

医用钛合金凭借良好的生物相容性,优秀的机械强度和耐腐蚀性成为骨科修复领域应用最广泛的植入材料之一[1-2]。然而传统致密钛合金植入物的弹性模量远高于人体骨组织,由此产生的应力屏蔽效应使周围骨质长期处于较低的应力水平而逐渐被吸收,最终引发植入物无菌性松动[3]。研究表明,通过3D打印制备多孔支架是消除这种弹性模量不匹配的有效方法[4]。多孔支架能促进骨长入和骨整合,使骨和多孔结构之间形成机械连锁来提高固定效果[3],但促进其成骨的最佳孔隙尺寸目前尚无统一标准[5]。

医用多孔钛合金表面改性技术研究进展

多孔钛合金拥有良好的力学性能,能够降低“应力屏蔽”效应,促进与组织的结合,但其功能化方面还存在不足。表面改性能够通过改造材料表面形貌或在材料表面负载功能成分等形式,赋予材料良好的成骨、抗菌及耐腐蚀、耐磨性等功能特性。区别于钛板/棒等致密钛材,多孔钛具有复杂的内部结构,因而,其改性多在流体(液体、气体)介质中进行以实现良好的包覆性。按照表面改性原理及作用成分性质分类,重点介绍了传统与新型医用多孔钛合金表面改性方法及效果,总结分析了不同方法间的优缺点及影响因素等,以期为医用多孔钛合金表面改性提供指导。

3D打印多孔钛合金Cage与聚醚醚酮Cage在PLIF中的疗效差异

目的分析3D打印多孔钛合金椎间融合器(3D Cage)与聚醚醚酮椎间融合器(PEEK Cage)在后路腰椎椎间融合术(PLIF)中的疗效差异。方法选取2021年2月至2022年2月在河南省洛阳正骨医院76例行PLIF的患者作为研究对象,根据不同的治疗方案分为观察组(38例)和对照组(38例)。其中观察组男性20例,女性18例,年龄27~76(45.67±9.69)岁;对照组男性19例,女性19例,年龄26~74(45.48±10.13)岁。观察组在PLIF下植入3D Cage,对照组在PLIF下植入PEEK Cage。在手术后对两组患者进行1年随访,比较两组的手术指标与并发症发生情况;比较两组术后3个月、6个月以及1年的椎间隙高度与椎间融合度;比较两组术后12 h与48 h的视觉模拟评分法(VAS)评分;比较两组术后3个月、6个月以及1年的Oswestry功能障碍指数(ODI)评分。使用独立样本t检验、χ^(2)检验、秩和检验。结果观察组的手术时间、住院时间、术中出血量、术后引流量分别为(123.26±23.62)min、(13.78±1.42)d、(316.64±26.79)ml、(342.21±33.72)ml,对照组的手术时间、住院时间、术中出血量、术后引流量分别为(124.18±23.43)min、(14.16±1.37)d、(321.36±27.63)ml、(346.38±34.17)ml,两组比较差异均无统计学意义(t=0.171、1.187、0.756、0.536,均P>0.05);观察组术后3个月、6个月以及1年的椎间隙高度分别为(13.36±0.93)mm、(12.98±0.87)mm、(12.21±0.62)mm,均优于对照组(12.78±1.21)mm、(12.33±0.94)mm、(11.74±0.77)mm(t=2.343、3.128、2.931,均P<0.05);观察组术后3个月、6个月以及1年的椎间融合度均优于对照组(Z=2.734、2.331、2.267,均P<0.05);观察组术后12 h与48 h的VAS评分分别为(5.18±1.24)分、(4.23±1.12)分,均低于对照组(5.87±1.36)分、(5.06±1.21)分(t=2.311、3.013,均P<0.05);观察组术后3个月、6个月以及1年的ODI评分分别为(24.62±6.34)分、(16.33±4.28)分、(13.69±3.27)分,均优于对照组(28.86±7.21)分、(19.66±5.87)分、(15.82±3.66)分(t=2.722、2.826、2.675,均P<0.05)。结论两种椎间融合器在PLIF中的手术指标和术后并发症发生情况方面均无明显差异,但3D Cage能够减轻术后疼痛,更好恢复椎间隙高度以及加速椎间融合,且功能障碍情况恢复良好。

脉冲电磁场协同多孔钛合金对兔长骨缺损修复效果的微观结构分析

多孔钛合金(p Ti)是目前较为理想的骨替代修复材料,但其在微观水平上仍难以与骨组织充分骨整合。为此,研究了脉冲电磁场(PEMF)协同p Ti作用对兔长骨缺损的修复效果。采用电子束熔融技术制备孔隙率70%的Ti6Al4V多孔钛合金圆棒;于12只成年兔股骨外侧髁构建骨缺损,填充以p Ti,并采用自行研制的基于"3-Helm Holz线圈"的电磁发生系统产生2 m T、15 Hz的PEMF进行实验。结果表明:与单独的p Ti作用相比,在PEMF和p Ti的协同作用下,6周后,p Ti中的骨体积百分比提高了78.5%,骨小梁数量提高了21.7%,骨小梁厚度增大了41.8%,骨小梁间隙减小了30.7%,骨表面积密度减少了36.2%。因此,PEMF显著提高了p Ti的骨缺损修复效率,PEMF协同p Ti作用是一种更为高效的长骨缺损修复方法。

EBM铸造多孔钛合金腰椎间融合器的可行性

目的探讨电子束熔融技术(EBM)铸造的多孔钛合金椎间融合器植入巴马小型猪腰椎椎间隙的可行性。方法将54只成年雄性小型巴马猪随机分为实验组与对照组,在腰4/5椎间隙行椎间融合手术,实验组植入EBM铸造的多孔钛合金融合器,对照组植入普通钛合金融合器。在术后4、12、24 w处死18只,对腰椎标本行Micro-CT检查,并制作成硬组织切片,分析成骨情况;术后12 w在制作病理切片前对两组实验动物行脊柱生物力学测试。结果所有动物手术顺利完成,术后动物状态良好;与对照组相比,Micro-CT检测各时间点实验组骨密度、骨体积分数、骨小梁厚度、骨小梁数量,均高于对照组,差异均有统计学意义(均P<0.05);脊柱生物力学测试结果显示实验组在四个方向的活动度均小于对照组;硬组织切片观察显示实验组骨长入率优于对照组,差异有统计学意义(P<0.001)。结论EBM铸造的多孔钛合金椎间融合器具有良好的生物相容性、骨诱导性及优良的融合能力。

不同强度超声波对多孔钛合金支架上成骨细胞生物学行为的影响

目的评价不同强度超声波对经微弧氧化表面修饰的多孔钛合金(简称多孔MT)支架上成骨细胞增殖和成骨向分化的生物学行为的影响,筛选出最佳的超声强度。方法将小鼠MC3T3-E1细胞与经微弧氧化修饰的多孔MT支架材料复合培养,材料被随机分成0 MT、10 MT、30 MT、60 MT、100 MT 5组,每组分别加载不同强度的超声(0、10、30、60、100 m W/cm^2)。通过扫描电子显微镜(SEM)、噻唑蓝(MTT)值、增殖指数(PI)、碱性磷酸酶(ALP)值观察成骨细胞黏附、增殖和分化水平。结果 SEM显示各组材料表面细胞伸展良好,可见细胞长入材料孔径内部。1、3、7 d时,100 MT组MTT值低于其他组(P<0.05),而其他4组间MTT值无统计学差异。5 d时100 MT组PI值低于其他组(P<0.05)。1、3、7 d时,30 MT组ALP值明显高于其他组(P<0.05)。结论 30m W/cm2强度的超声波对多孔MT上成骨细胞增殖和成骨向分化的生物学行为影响最佳。

多孔钛合金支架结构设计及其抗压强度分析

设计了5种不同孔隙结构的钛合金支架模型,利用金属3D打印技术完成了多孔钛合金支架实物模型的制造,并对设计和制造的多孔钛合金支架的微观孔隙特征及力学性能进行观测.结果表明:多孔钛合金支架微观结构的设计特征与制造特性存在一定的差异,但在可控范围以内;在相近孔隙率和相同支杆截面尺寸的条件下,不同单元体形成的三维孔隙结构对支架抗压强度的影响十分显著;倒V型结构支架的抗压强度与支杆的夹角和长度密切相关,其理论分析结果与实验结果一致.

基于选区激光熔融技术制备的多孔钛合金支架的力学性能及成骨能力评价

目的评价选区激光熔融(selective laser melting,SLM)技术制备的多孔钛合金支架的力学性能及成骨能力。方法通过SLM技术制备两种多孔钛合金(Ti6-Al4-V)支架,分别为均一多孔组和复合多孔组,简称均一组与复合组,并对其力学性能、体外细胞相容性和体内骨整合能力进行评价。结果与传统锻件相比,多孔钛合金支架的弹性模量更接近人体正常骨组织,且复合组的弹性模量高于均一组,差异具有统计学意义(<0.05)。细胞相容性方面,随着时间的推移,间充质干细胞数量在两组多孔支架上均有增加,但复合组钛合金支架在5 d和7 d的细胞数量高于均一组(<0.05)。该组在成骨分化实验的7 d也具有更高的ALP活性(<0.05)。诱导14 d后两组ALP活性无差异。体内植入实验表明,3个月时,复合组的骨体积分数与均一组比较差异无统计学意义(>0.05)。结论本研究表明,基于SLM制备的多孔钛合金支架弹性模量适宜,具有骨整合能力,适合做骨缺损修复材料。

多孔钛合金支撑棒置入治疗早期距骨骨坏死

背景:国外最新的研究成果显示,与传统髓芯减压治疗比较,多孔钛合金支撑棒置入治疗距骨骨折的疗效有明显提升,同时降低了手术难度。目的:对比多孔钛合金支撑棒与髓芯减压治疗早期距骨骨坏死的临床效果。方法:纳入早期距骨骨坏死患者60例,其中男33例,女27例,年龄18-73岁,采取随机数表法均分为试验组与对照组,试验组进行多孔钛合金支撑棒置入治疗,对照组进行传统的髓芯减压治疗。对比两组治疗后12个月的坏死范围进展情况,治疗后24周内的感染率及踝关节肿胀情况,以及治疗12个月内的跛行发生率。结果与结论:治疗后12个月,试验组骨坏死进展情况明显低于对照组(P<0.05)。试验组治疗后即刻、治疗后2周、治疗后4周、治疗后12周、治疗后24周的感染率及踝关节肿胀率均低于对照组(P<0.05),治疗后1,3,6,12个月的跛行发生率明显低于对照组(P<0.05)。试验组未发生与植入材料相关的不良反应。表明以多孔钛合金支撑棒置入治疗早期距骨骨坏死有利于骨组织的再生,促进踝关节功能恢复。

负载ZOL-GNPs的多孔钛合金支架促进OP骨缺损修复的作用机制

目的 骨质疏松症(OP)容易引发骨折甚至导致骨缺损的发生。文章探讨将聚多巴胺(PDA)涂层多孔钛合金支架与唑来膦酸明胶纳米微球(ZOL-GNPs)相结合,构建一种不但具有良好机械性能与生物相容性,而且可局部缓释给药抗骨质疏松(OP)的新型多孔钛合金支架。方法 基于电子束熔融技术构建负载不同浓度ZOL-GNPs的PDA涂层多孔钛合金支架(对照组:0μmol/L;实验组:1μmol/L,10μmol/L,50μmol/L,100μmol/L,500μmol/L),并对支架进行表征分析和药物释放检测。在新型支架浸提液条件下对破骨细胞进行骨吸收能力检测和凋亡检测。构建OP骨缺损模型,并通过Micro-CT扫描、组织学检测和生物力学检测评估新型支架在动物体内的效果。结果 成功构建了负载ZOL-GNPs的PDA涂层多孔钛合金支架,药物检测结果显示该新型支架在体外可保持数周稳定的ZOL释放速率。骨吸收能力检测结果显示50μmol/L组所形成骨板吸收面积明显低于对照组(P<0.01)。破骨细胞凋亡率随ZOL的浓度呈线性增加,所有实验组均明显高于对照组(P<0.01)。Micro-CT扫描显示50μmol/L组的骨生长情况明显优于其他组(P<0.01)。组织学染色显示随着ZOL浓度的升高,新生骨量逐渐增多,当ZOL浓度为50μmol/L时新骨量最大。支架植入8周和12周后,1μmol/L组、10μmol/L组和50μmol/L组的支架8周[(2.11±0.11、2.26±0.13、2.58±0.09)GPa]和12周[(2.23±0.07、2.48±0.16、2.91±0.10)GPa]弹性模量均显著高于支架植入前的弹性模量(P<0.05),并且50μmol/L组的支架弹性模量最高,接近人体松质骨弹性模量的同时,抗压性能较好。结论 成功构建了一种负载ZOL-GNPs的PDA涂层多孔钛合金支架,其具有良好的机械性能和局部药物缓释抗骨质疏松作用;当ZOL浓度为50μmol/L时更有利于OP骨缺损的修复。

多孔钛合金支撑棒在踝关节损伤中的应用及生物力学性能

背景:研究表明钛合金材料具有良好的生物相容性,便于加工合成为合适孔径的多孔结构,将其用于踝关节损伤中效果理想,但其生物力学性能尚不明确。目的:探讨多孔钛合金支撑棒在踝关节损伤中的应用效果及生物力学性能。方法:取健康Beagle犬30只,利用止血钳挑起并暴力拉断外侧副韧带,建立踝关节损伤模型。实验分为2组:对照组(n=15)和实验组(n=15)。利用CAD设计多孔钛合金棒三维模型,并将其输入到EBM S12系统中,将Ti6A14V粉末放入机器中并进行逐层熔融,最终制备成直径为4 mm、长度为12 mm的多孔圆柱状棒体。对照组采用常规方法修复,多孔钛合金支撑棒组将多孔钛合金支撑棒植入损伤处,比较2组犬踝关节肿胀程度、修复优良率、电生理学指标及生物力学性能。结果与结论:①2组修复前患侧踝关节周径无明显差异(P>0.05);多孔钛合金支撑棒组修复后1、2及3周,患侧踝关节周径均显著低于对照组(P<0.05);②多孔钛合金支撑棒组修复后3个月的优良率显著高于对照组(P<0.05);③2组Beagle犬修复前患侧外侧副韧带体感诱发电位和肌电图潜伏期、波幅比较无明显差异(P>0.05);多孔钛合金支撑棒组修复后3个月,患侧外侧副韧带体感诱发电位和肌电图的潜伏期显著短于对照组(P<0.05);而体感诱发电位和肌电图的波幅显著高于对照组(P<0.05);④与对照组相比,多孔钛合金支撑棒组的最大桡度、弹性桡度、破坏桡度无明显差异(P>0.05);而最大载荷、弹性载荷、破坏载荷及刚性系数显著提高(P<0.05);⑤结果提示,将多孔钛合金支撑棒应用于踝关节损伤的治疗,具有较好的修复效果,且有助于改善踝关节生物力学性能。

多孔钛合金切削加工参数优化试验研究

为了研究多孔钛合金切削加工效率及稳定性,分别对不同粒径多孔钛合金进行铣削加工实验,对比分析不同切削参数下切削力及表面粗糙度变化。试验结果表明:过小或过大的粒径均导致切削力波动幅值及频率增大,加工表面粗糙度值变大;背吃刀量增大,切削力振动剧烈,加工表面质量提高;切削速度提高对切削力影响不大,但是能够有效改善切削加工表面质量。因此,综合考虑粒径、切削速度及背吃刀量等影响因素可知,较高的切削速度、较大的背吃刀量和中等尺度的粒径能有效提高多孔钛合金铣削加工稳定性和加工效率。

微弧氧化表面改性3D打印多孔钛合金支撑棒治疗羊距骨骨坏死的研究

目的探讨微弧氧化(MAO)表面改性3D打印多孔钛合金支撑棒对羊距骨坏死的治疗作用,为其进一步临床应用提供基础。方法观察3D打印多孔钛合金支撑棒通过MAO表面改性后,其表面形态、元素变化及晶像情况。通过体外细胞实验,研究大鼠成骨细胞在材料表面的黏附、增殖及分化情况。建立羊距骨坏死模型基础,并置入3D打印多孔钛合金支撑棒,探究其在距骨内的稳定性及其成骨修复情况。结果通过MAO改性,材料表面形成大小均一的多孔微米结构,Ca、P、O元素分布在材料表面,同时表面形成TiO2晶像。在体外细胞实验中,MAO改性组和对照组均表现出良好的生物相容性,但是MAO改性组在细胞接种后8 h黏附能力优于对照组、接种1、4、7 d后细胞增殖能力均优于对照组,同时接种7 d时细胞分化能力也优于对照组,差异具有统计学意义(P<0.05)。羊距骨植入实验表明,术后12周两组支撑棒都有骨长入,但是MAO改性组与对照组相比其周围有更多的新生骨长入。定量结果显示MAO组的骨体积分数、骨小梁厚度也优于对照组,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论仿生的3D打印多孔结构为支撑棒提供了优良的力学性能,MAO表面改性进一步提高了其生物活性,使其在治疗羊距骨早期骨坏死过程中充分发挥了力学和生物学的优势。本临床前研究效果满意,并为其未来临床应用提供了理论和研究基础。

钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征分析

钽金属是一种比较理想的医用金属材料,无论是与人体的软组织还是硬组织都能够发生整合。研究结果表明,经过了钽金属涂层的多孔钛合金支架表面呈现出了明显的钽金属色泽,经过扫描,证明了其表面的沉积物为钽金属,成为了新型的骨修复替代物。本文对钛合金的支架涂覆实验进行了介绍,并对实验结果进行了总结与分析,进而论证了这种新型支架的性能。

多孔钛合金光固化直写3D打印成形工艺研究

以Ti-6Al-4V粉末为原料,光敏树脂为成型剂,采用光固化直写3D打印技术实现了非球形钛合金粉的3D打印。研究了钛合金粉末浆料的流变性,分析浆料的成型性和光固化过程,并对坯体烧结前后的组织及性能进行了观察和分析。结果表明:在保证足够支撑力和坯体固化强度的前提下,得到浆料的最佳固相含量为65%,挤出丝材直径450μm,光固化时间1~2 s,坯体能保持良好的网格与层叠结构。坯体在真空脱胶-烧结过程中收缩均匀一致,长度方向和高度方向的收缩率分别为22.1%和21.9%,烧结后丝材直径为350μm,径向收缩率为22.2%左右。经测定,填充率50%的钛合金烧结体的抗压强度为455 MPa,能够满足人体骨骼性能要求。

Mn含量对多孔Ti-Mo-Mn合金微观结构及力学性能的影响

以钛粉、钼粉和锰粉为原料,碳酸氢铵颗粒为造孔剂,采用粉末冶金工艺制备出医用多孔Ti-Mo-Mn合金,并研究了锰含量对多孔Ti-Mo-Mn合金微观结构和力学性能的影响。结果表明,随着锰含量从0wt%增加到10wt%,多孔Ti-Mo-Mn合金的孔隙率降低,大孔孔径少量减小,β-Ti相的比例相对增多,弹性模量和抗压强度相应增加。含7.5wt%Mo和5wt%~10wt%Mn的多孔Ti-Mo-Mn合金具有三维连通的多孔结构和良好的力学性能,有潜力用作皮质骨缺损修复材料。

Cu含量对多孔Ti-5Mn合金微观结构及力学性能的影响

以质量分数为50%的碳酸氢铵颗粒为造孔剂,使用粉末冶金工艺经真空烧结制备出多孔Ti-5Mn-xCu(x=0,3,5,10)合金,并研究了Cu含量对多孔Ti-5Mn合金微观结构及力学性能的影响。研究结果显示,制备得到的多孔Ti-Mn-Cu合金的孔隙率随着Cu含量的增加而逐渐降低,其大孔孔径略为减小,大孔壁上微孔数量逐渐减少。多孔Ti-Mn-Cu合金中出现了Ti_(2)Cu相,并且其相对含量随着Cu含量的增加逐渐增多。多孔Ti-Mn-Cu合金的弹性模量和抗压强度均随Cu含量的增加而提高。含3%~10%Cu和5%Mn的多孔Ti-Mn-Cu合金具有合适的孔结构和与人体骨相近的力学性能,具有作为抗菌骨科植入材料的潜力。

选区激光熔化成形工艺对多孔TC4钛合金显微组织的影响

采用Rhino软件构建了泰森多边形不规则多孔结构,利用选区激光熔化(SLM)技术成形多孔TC4钛合金,研究了激光功率(180,200,220 W)、扫描速度(1200,1600,2000 mm·s^(-1))、扫描间距(80,100,120μm)对其显微组织的影响。结果表明:随着激光功率的增大、扫描速度的减小或扫描间距的增大,SLM成形多孔TC4钛合金实体部分的微观孔洞缺陷数量和尺寸减小,相对密度提高,扫描速度是影响缺陷生成的主要原因;在激光功率220 W、扫描速度1200 mm·s^(-1)、扫描间距120μm条件下钛合金具有最少的微观孔洞缺陷,其相对密度可达99.2%。靠近多孔结构孔隙部分的截面存在等轴晶和平行于基板表面的柱状晶,而远离孔隙部分的组织主要由β柱状晶组成,柱状晶内部为与其长轴成±45°且平行排列的初生针状马氏体;随着激光功率的减小、扫描速度的增大或扫描间距的减小,柱状晶的宽度和初生马氏体的长度均减小,扫描间距对显微组织的影响更大。

烧结工艺对多孔钛基合金组织与性能的影响

针对生物医用钛合金弹性模量仍远高于人骨和力学性能会随着孔隙的引入而急剧降低等问题,采用粉末冶金加造孔剂(镁锌粉)制备多孔钛基合金,研究烧结温度对其组织及性能的影响。研究结果表明,在不同烧结温度下,随烧结温度的增加,试样密度升高、孔隙率降低;多孔Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金的相组成主要为β-Ti、α-Ti、Nb和Ta,各成分分布随烧结温度的升高更加均匀,且少量α-Ti相逐渐向β-Ti相转变,含量减少;随着烧结温度的增加,试样抗压强度由426MPa增加至689MPa,弹性模量由21.96GPa增加至27.28GPa,但由于α-Ti相向β-Ti相转变,使得弹性模量的同比增加量小于抗压强度。通过调控烧结工艺制备出的多孔Ti-35Nb-7Zr-5Ta合金具有低模量高强度的力学性能,有望用作人体骨骼替代的医用植入材料。