喷射成形制备Fe-35Mn合金的体外降解行为及生物相容性

提出用喷射成形制备可降解医用Fe-35Mn合金的方法,探讨了喷射成形的材料性态对体外降解行为及生物相容性的影响。喷射成形的材料其内部有一定的孔隙率,有助于提高材料的降解速率以及细胞的粘附生长。以锻态和铸态Fe-35Mn合金为对照组,静态浸泡实验和电化学腐蚀实验表明,喷射态Fe-35Mn合金的降解速率显著提升,腐蚀形貌明显均匀化;细胞毒性实验表明,添加Mn合金化能改善Fe的生物相容性,喷射态Fe-35Mn合金更快的腐蚀速率形成的高离子浓度不会造成更严重的细胞毒性作用。另外,Fe-35Mn合金具有顺磁性,不影响核磁共振等医学检查。因此,喷射成形制备的Fe-35Mn合金有望成为一种满足降解和其它功能要求的医用生物材料。     

材料表面微纳形貌对血管细胞行为影响的研究综述

镁合金具有良好的生物相容性、优良的力学性能以及可完全降解的特点,是制备血管支架的理想材料。然而在支架植入初期,支架表面平滑肌细胞增殖速率超过内皮细胞增殖速率,导致支架内再狭窄的发生。近年来,在材料表面构筑微纳尺度形貌,通过调控血管内皮细胞和平滑肌细胞行为,实现支架表面快速内皮化成为一种新的研究思路。从基底材料、形貌特征、制备工艺、细胞种类以及实验结果等方面,系统地总结了近年来关于材料表面微纳形貌对血管细胞行为的影响。因为目前镁合金表面微纳形貌对血管细胞行为影响的报道尚少,从镁合金种类、形貌制备工艺、形貌特征以及形貌功能等方面详细整理了不同研究领域,在镁合金表面制备微纳形貌的相关研究。与此同时,分析了在镁基血管支架表面制备微纳尺度形貌用于实现支架表面快速内皮化研究所面临的挑战,并介绍了本课题组相关研究工作进展。     

缝隙腐蚀对Fe-30Mn-1C合金降解速率的影响

为了提高Fe-30Mn-1C合金的降解速率,采用激光技术,在样品上分别加工不同孔径的孔隙,将支架的设计与缝隙腐蚀结合起来,通过体外浸泡失重实验和电化学测试,研究了合金的降解行为,结果表明缝隙腐蚀可显著提高Fe-30Mn-1C合金的降解速率。     

新型生物可降解Fe-30Mn-1C合金的性能研究

采用真空感应熔炼法制备了Fe-30Mn-1C合金,研究了其力学性能、磁性、模拟体液中的降解速度以及体外生物相容性.研究结果表明,与Fe-30Mn合金和316L不锈钢相比,C的加入提高了铁基合金的力学性能,使材料兼具高强度和高塑性,并进一步降低了材料的磁性,使其具有更优良的核磁共振(MRI)兼容性.电化学阻抗谱(EIS)结果表明,材料的极化电阻降低,浸泡实验也证实材料的降解速度得到提高.体外生物相容性研究结果表明.Fe-30Mn-1C合金同时具有优异的抗溶血、凝血、血小板黏附性能,以及良好的细胞相容性,满足对医用植入材料的基本要求.     

医用钛合金表面形貌与成分对生物相容性影响研究综述

生物医用钛合金表面物化特性作为影响细胞生物学行为的关键因素,决定了骨-植入体之间的结合质量和速率。针对作者所在研究小组在钛合金表面改性技术研究中所取得的一系列进展进行了综述。在表面形貌制备方面,利用喷砂、激光和微细铣削等机械加工方法和酸蚀、碱热处理、阳极氧化等化学处理方法,在钛合金表面获得了微纳米双级结构。在表面化学成分方面,采用离子置换的方式在微纳米结构表面植入生物活性离子,通过富氧切削方式改善表面钝化膜的质量。通过电化学腐蚀试验和一系列体外细胞培养实验,验证各表面物化改性方法对钛合金植入体生物相容性的影响。研究表明,微纳米结构化的表面能够提高材料表面的亲水性,促进细胞的粘附、增殖和矿化等,而植入生物活性离子后与微纳结构表面产生了协同效应,进一步增加了其生物相容性。此外,在富氧加工气氛下,钛合金表面的氧化膜厚度相比自然条件下加工有明显增加,提高了生物相容性,同时耐腐蚀性也得到显著增强。     

NiTi合金表面微观形貌对血管内皮细胞及血小板黏附的影响

主要探讨血管支架材料--NiTi合金不同表面形貌对牛主动脉血管内皮细胞及血小板黏附的影响.采用机械抛光、机械刻蚀和化学浸蚀的方法制备微孔、微凹槽等微结构特征的NiTi合金表面.利用扫描电镜、粗糙度轮廓仪等对材料表面微观形貌和平均粗糙度进行表征,并测定微孔和微凹槽的材料表面对血小板及血管内皮细胞黏附的影响.结果表明:NiTi合金基体表面制备纳米级粗糙度的微孔和微凹槽等不同微观形貌对血小板黏附的影响不显著,但可明显促进内皮细胞的黏附;具有微孔结构的材料表面黏附的细胞数量最多,且细胞生长状态良好;材料表面微凹槽结构对细胞的早期黏附具有接触诱导效应.微粗糙化的各种不同材料表面形貌对血小板黏附的影响不显著.     

激光刻蚀和阳极氧化对纯钛植入体表面性能的影响

钛本身为生物惰性材料,为了提高钛植入体的生物活性,制备出兼具微米级结构和纳米级结构的表面,发挥微纳米双级结构的协同效应。 采用纳秒激光刻蚀出微沟槽结构并在其表面进行阳极氧化,在钛表面制备了一种有序的微沟槽-TiO₂ 纳米管复合结构。 对各组不同表面结构的试件的表面形貌、粗糙度、亲水性、物相组成等进行表征。 应用生物矿化试验对不同组试件的生物活性进行评价。 与抛光表面相比,微纳米复合结构的表面粗糙度从 0. 281 μm 增加到 7. 297 μm,表面接触角从 73. 1°减小到 32. 1°,亲水性显著提高。 XRD 图谱显示,阳极氧化后经热处理的表面出现了锐钛矿(2θ= 26°)的特征峰,表明 TiO₂ 由无定型转变为锐钛矿型。 此外,与抛光表面和单一微/ 纳米结构表面相比,微纳组表面在模拟体液中浸泡 14 d 后沉积的羟基磷灰石层更致密。 采用激光刻蚀与阳极氧化制备的微纳复合结构可以显著提高钛表面的粗糙度和亲水性,且具有更加优异的生物活性。 此研究为在钛植入体表面构建规则的微纳米结构以改善生物活性提供了一种有效的方法。     

聚吡咯改性聚偏氟乙烯膜的电学特性及生物相容性

聚偏氟乙烯因具有生物相容性、压电性及良好的机械性能而在生物医用中备受关注。利用电化学法在聚偏氟乙烯膜表面沉积聚吡咯涂层以表面改性聚偏氟乙烯膜,研究了聚吡咯纳米颗粒和纳米线结构涂层对聚偏氟乙烯膜的表面亲水性、电学特性及生物相容性的影响。采用扫描电镜和原子力显微镜观察了纳米结构聚吡咯涂层改性聚偏氟乙烯膜的表面形貌;利用表面接触角测量仪、原子力显微镜研究了改性聚偏氟乙烯膜的亲水性和电学特性;通过体外矿化、细胞死活染色和CCK-8检测方法探讨了改性聚偏氟乙烯膜的生物相容性。结果表明：纳米结构聚吡咯涂层改性聚偏氟乙烯膜的表面亲水性、表面电势分布及生物相容性明显提高了,有利于表面类骨矿物的沉积及细胞的粘附与增殖。此外,纳米线结构聚吡咯改性的聚偏氟乙烯膜具有更高的亲水性、表面电势分布,更有利于细胞粘附与增殖。     

钛及钛合金植入体表面微纳结构制备技术及生物性能研究进展

对国内外医用钛及钛合金植入体表面微纳结构制备技术的研究现状进行综述。介绍了喷砂、微切削和激光等机械加工方法,等离子喷涂、溅射等物理方法,酸蚀、碱热处理、阳极氧化等化学处理方法在钛及钛合金植入体表面制备的微纳结构,概述了微纳结构对钛及钛合金植入体生物相容性的影响。最后,总结各种制备方法的优劣,并结合目前医用钛及钛合金植入体表面微纳结构研究中存在的问题,指出了植入体表面微纳结构制备方法的发展趋势。     

电解抛光提高镍钛合金心血管支架表面性能

植入高性能的心血管支架是治疗心血管疾病的主要手段,而支架的制造工艺决定了其表面性能。采用乙二醇-氯化钠无毒电解液电解抛光工艺来提高镍钛合金心血管支架的表面完整性和生物相容性。试验结果表明,该工艺制造镍钛合金心血管支架的表面完整性和生物相容性明显改善:镍钛合金心血管支架表面光亮平整,没有熔渣和热影响区,表面粗糙度达到Ra 85.5 nm;镍钛合金心血管支架表面化学成分发生改变,表面形成二氧化钛保护膜,阻止了Ni离子析出,且电化学腐蚀性能明显提高,有效改善了支架生物相容性;该工艺采用醇-盐无毒电解液进行抛光,提高了工艺对环境的友好性。此外,该工艺解决了镍钛合金心血管支架制造领域的关键技术难题,制造出了性能优良的镍钛合金心血管支架,为高质量心血管支架制造提供了科学依据。     

生物活性多孔钽支架的构建及其初步生物学评价

表面生物活性涂层构建是提升金属内植物骨整合能力的有效途径,本研究利用电化学沉积技术在多孔钽支架表面构建生物活性羟基磷灰石(HA)涂层。通过接触角和比表面积测试发现,HA涂层的构建显著提升了多孔钽表面亲水性,并增加了其比表面积。利用模拟体液浸泡试验评估支架生物活性,发现仅浸泡3天后,多孔钽支架表面就已被类骨磷灰石沉积所覆盖。建成骨细胞培养模型,通过激光共聚焦观察及细胞增殖测试发现,所有支架均具有良好的细胞相容性。并且,细胞共培养5天后,HA涂层化多孔钽支架表面细胞的增殖率分别是未改性材料组和空白对照组的1.1和1.4倍,呈现了更大的促细胞增殖潜力。本研究中所制备的生物活性多孔钽支架具备快速诱导类骨磷灰石沉积能力,能够促进成骨细胞在其表面的贴附和增殖,在骨修复领域具有较大的临床应用前景。     

Fabrication of Bioceramic Bone Scaffolds for Tissue Engineering

In this study, microhydroxyapatite and nanosilica sol were used as the raw materials for fabrication of bioceramic bone scaffold using selective laser sintering technology in a self-developed 3D Printing apparatus. When the fluidity of ceramic slurry is matched with suitable laser processing parameters, a controlled pore size of porous bone scaffold can be fabricated under a lower laser energy. Results shown that the fabricated scaffolds have a bending strength of 14.1 MPa, a compressive strength of 24 MPa, a surface roughness of 725 nm, a pore size of 750 μm, an apparent porosity of 32%, and a optical density of 1.8. Results indicate that the mechanical strength of the scaffold can be improved after heat treatment at 1200 °C for 2 h, while simultaneously increasing surface roughness conducive to osteoprogenitor cell adhesion. MTT method and SEM observations confirmed that bone scaffolds fabricated under the optimal manufacturing process possess suitable biocompatibility and mechanical properties, allowing smooth adhesion and proliferation of osteoblast-like cells. Therefore, they have great potential for development in the field of tissue engineering.     

表面涂层对用于骨组织工程的多孔镁支架的影响

多孔镁（Mg）支架有利于生物植入,但是由于Mg的高活性,植入后降解速度过快,不利于新骨的形成。为了有效地控制镁支架的降解,研究了3种不同表面涂层对多孔镁支架的影响。通过能量色散光谱仪（EDS）,X射线衍射（XRD）和红外傅里叶变换光谱（FTIR）证实支架表面的组成为纯Mg,氧化镁（MgO）,磷酸氢钙（DCPD）和硬脂酸（SA）。结果表明,从表面形貌可以看出,SA涂层更光滑,更致密。模拟体液（SBF）的体外降解实验表明,与未涂覆的Mg支架相比,表面涂层可以有效地减慢支架的降解,并且DCPD涂层和SA涂层优于MgO涂层。在第15周时,浸泡在SBF中的DCPD和SA涂层支架的降解率为70％,这可以为新骨的生长提供一定的时间。     

去合金化工艺对纳米多孔铜孔结构的影响

以Mn-Cu合金为前驱体合金,在酸溶液中腐蚀去合金化成功制备出孔径尺寸为纳米量级的纳米多孔铜。 研究了去合金化工艺参数中的酸溶液成分、腐蚀时间及腐蚀温度对最终纳米多孔铜孔结构及Mn的选择性腐蚀程度影响。结果表明：在0.1 mol/L HCl溶液中自由腐蚀去合金化后可得到孔结构均匀的纳米多孔铜;随着腐蚀时间的延长,孔结构有显著变化,腐蚀2 d所得纳米多孔铜样品的孔结构呈蜂窝状,腐蚀5 d所得样品的孔结构呈均匀的三维网络状结构,而后随着腐蚀时间的延长,孔壁逐渐粗化;随着腐蚀温度升高到60 ℃,样品中的残余Mn含量降低明显。通过调整去合金化工艺,实验所制备的纳米多孔铜孔结构呈均匀的三维网络状,孔隙率为57.7%,平均孔径尺寸约140 nm。     

多孔钛骨组织工程支架设计及孔结构表征

针对目前骨组织工程支架微孔结构难以准确设计制备的问题,提出了一种基于点云的参数化建模+3D打印新方法。通过提取cube(C)、diamond(D)、gyroid(G)3种结构的型面函数点云数据,完成对不同孔结构特征的参数化建模。通过对模型有限元力学分析,对不同孔结构特征的多孔钛骨组织支架进行力学设计与订制。借助激光选区熔融(SLM)3D打印技术,完成对不同孔特征的骨组织支架快速成型。对多孔钛骨组织支架进行了相关材料学表征,包括孔结构表征与力学性能测试。结果表明:参数化模型的快速成型制造,能够有效地设计制备钛合金骨组织工程支架的孔结构特性,且可有效设计订制支架的力学性能,从仿生的角度实现多孔钛合金骨组织工程支架生物学功能的设计优化。     

Design of Fe–Mn–Ag Alloys as Potential Candidates for Biodegradable Metals

In this work,a series of biodegradable pure iron,Fe–30Mn and Fe–30Mn–Ag alloys were developed by using a rapid solidification technology.A fine a-Fe dendrite was formed in pure iron,resulting in a high compressive yield strength of above 300 MPa.The Fe–30Mn alloy doped with only 1%Ag exhibited a significant increase in the degradation rate in simulated body fluid due to the precipitation of Ag-rich particles in alloy matrix and the induction of the microgalvanic corrosion.In addition,the novel Fe–30Mn–Ag alloy also exhibited a good magnetic compatibility and offered a closely approaching requirement for biodegradable medical applications.     

合金初始组织对纳米多孔铜孔形成和孔结构的影响

通过对铸态、热轧态、固溶态等不同初始组织状态的Cu4Mn6合金进行自腐蚀去合金化制备纳米多孔铜块体材料,研究了合金初始组织对去合金化过程、孔形成和孔微观结构的影响。采用XRD、SEM、EDS等分析了样品腐蚀前后的相组成、微观形貌和元素含量。结果表明,合金初始组织对去合金化过程和孔结构具有重要的影响,固溶态合金是制备成分纯净、结构均匀的纳米多孔金属的最佳前驱体。铸态和热轧态合金由于Cu元素分布不均,构成贫铜区和富铜区,不利于去合金化过程的进行,腐蚀后形成由纳米孔伴有微米孔的双级孔径结构,而固溶态合金由于其初始组织成分均匀,利于Mn元素的选择性溶解和Cu元素的重组,完成去合金化所需时间最短,Mn残留量最低,去合金化后可形成孔径均匀的三维连通纳米多孔结构。     

Corrosion behavior of porous magnesium coated by plasma electrolytic oxidation in simulated body fluid

Porous magnesium has a great potential to be used as degradable bone scaffolds. In this study, porous magnesium with 35% percolating porosity has been successfully fabricated through powder metallurgy route utilizing space holders. The intrinsic mechanical properties of the porous magnesium were measured by nanoindentation testing and analyzed with the Oliver–Pharr method. Afterward, a ceramic coating on the surface of the porous magnesium was performed by plasma electrolytic oxidation (PEO) treatment in a silicate‐based solution. The morphology and composition results of the PEO coatings indicated that it is possible to apply a homogenous and adhesive ceramic coating layer on all free surface of the porous magnesium through PEO method. The protective performance of the PEO coatings was evaluated using by potentiodynamic polarization and electrochemical impedance spectroscopy tests in simulated body fluid. The results revealed the PEO coating significantly improves biocorrosion resistance of the porous magnesium. Therefore, it can be used as an effective method to control the degradation rate of porous magnesium implants in the human body.     

脱合金法在TC4钛合金磁粒研磨光整加工中的应用

为解决TC4钛合金表面材料的定量去除问题,提高TC4钛合金磁粒研磨光整加工的效率,采用电化学脱合金法对不同浓度的Na OH溶液进行分析,得出最佳电解液浓度为1.5 mol/L;利用动电位和恒电位极化确定脱合金临界电压为2.1 V。在1.5 mol/L NaOH溶液中,2.1 V电压下进行脱合金试验,TC4钛合金表面获得连续均匀的纳米多孔结构。脱合金3、6、9 h后,工件表面纳米多孔层的维氏硬度分别降低29.4%、39.5%、46.7%。摩擦磨损试验中,磨球穿透纳米多孔层的时间分别为11、21、35 min,纳米多孔层厚度分别达到2.2、3.8和6.2μm。对TC4钛合金和脱合金工件进行磁粒研磨光整加工,研磨加工165 min后,TC4钛合金表面6.2μm厚度的磨痕得到有效去除;研磨加工45 min后,脱合金工件表面6.2μm厚度的纳米多孔层被有效去除,研磨效率提升72.7%。使用脱合金-磁粒研磨复合加工的方法,实现了TC4钛合金表面材料的定量去除,而且降低了表面材料的维氏硬度,提高了磁粒研磨的加工效率。