3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征

目的 观察3D打印多孔钛合金桩的粘接强度及粘接破坏模式和表面、粘接界面特征,以期利用多孔结构的机械嵌合来提高金属桩核的粘接强度。方法 实验设计4组,A组选取10根预成纤维桩,扫描并获取三维数据,B、C、D组均使用A组获得的数据分别进行3D打印实心钛合金桩、3D打印多孔钛合金桩、氧化锆桩的设计与制作,将各组桩包埋、切片,使用万能力学实验机将桩从桩核树脂中推出,记录各组桩的粘接强度和粘接破坏模式,并用扫描电镜观察桩的表面、粘接界面特征。结果 A、B、C、D组粘接强度分别为(229.11±80.15)、(389.29±58.39)、(572.35±128.08)、(137.54±26.81)MPa,组间两两比较,P均<0.05。A、B、C、D组粘接界面破坏的例数分别为7、2、1、8例,粘接内部破坏的例数分别为0、1、3、0例,混合粘接破坏的例数分别为3、7、6、2例,组间两两比较,P均<0.05。A组扫描电镜下可见纤维桩表面大量排列紧密的纤维束,纤维桩与桩核树脂结合紧密;B组可见3D打印实心钛合金桩的表面有大量点状颗粒,点状颗粒间可见树脂嵌入,钛合金实心桩与桩核树脂结合紧密;C组可见3D打印多孔钛合金桩表面大量不规则空隙,桩的表面也存在大量点状颗粒,在颗粒间以及空隙间可见大量树脂嵌入,极大的增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用;D组可见氧化锆桩和表面相对平整,桩与桩核树脂结合紧密,机械嵌合明显少于前面三组。结论 与预成纤维桩、氧化锆桩和3D打印实心钛合金桩相比,使用3D打印技术制作的多孔钛合金桩,粘接强度有明显的提升,粘接破坏模式主要为混合粘接破坏,桩表面有大量不规则空隙及点状颗粒,在颗粒间及空隙间可见大量树脂嵌入,极大增加了桩与桩核树脂的机械嵌合作用。

3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物表面微纳结构活性层制备及其抑菌性能研究

钛合金骨植入物在骨科临床中得到了越来越广泛的应用,但其较高的弹性模量、较差的抑菌性能及固有的生物惰性等易造成应力遮挡、术后感染以及松动等问题,从而对术后恢复造成较大负面影响.针对这些问题,本研究以3D打印技术获得的力学性能优异的多孔Ti-6Al-4V合金骨植入材料为研究对象,通过阳极氧化工艺在植入物材料表面制得TiO_(2)微纳结构活性层,并通过光还原的方法负载纳米银颗粒,在对其进行结构优化的基础上深入探讨其结构与亲水性、耐蚀性、抑菌性之间的关系.研究结果表明:3D打印多孔钛合金通过两次阳极氧化可在其表面生成规整TiO_(2)微纳结构活性层,显著提高了骨植入材料的生物活性和在模拟体液中的耐蚀性,负载微量的Ag纳米颗粒后亲水性变化不大,但抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌黏附和增值的效果显著.本研究对3D打印生物医用多孔钛合金骨植入物的开发与实际应用提供了重要参考.

计算流体力学模拟动态环境下多孔支架结构对成骨细胞的剪切力

传统假体植入物是实心结构,其弹性模量远高于自体骨,植入后易产生应力遮挡效应。为研究假体植入物不同结构对钛合金假体流体剪切力分布的影响,并确定最适合成骨细胞在生理条件下生长的结构,采用SolidWorks软件建立了5种孔隙率相同、结构不同的多孔钛合金假体,并且采用ANSYS Fluent软件对5种假体的比表面积进行比较,建立了假体的流动模型。将各假体表面剪应力的大小和分布与生理条件下的流体剪应力进行比较,确定其一致性。在保持假体结构不变的情况下,通过改变假体的孔隙率得到4种不同的假体,运用计算流体力学软件分析,得到假体表面流体剪应力的分布。将流体剪应力与生理条件下流体剪应力区间进行比较,最终获得了一种最适合细胞生长的多孔钛合金假体的结构。