3D打印Ti6Al4V钛合金支架的力学性能及生物相容性

以3D打印技术制备的多孔Ti6Al4V钛合金支架为研究对象,研究其显微结构特征与力学性能的关系,利用骨髓间充质干细胞研究多孔钛合金支架的生物相容性,以及在家兔全层骨缺损模型中研究支架周围骨质的生长情况。结果表明:3D打印的多孔Ti6Al4V钛合金支架的力学性能受其多孔特性的影响,具有较适合人体需求的初始强度;同时材料具有良好的细胞生物相容性;且多孔支架中的立体网格结构为细胞提供了生长空间,增加了骨髓间充质干细胞的增殖能力,促进了钛合金支架微孔中骨组织长入的速度。     

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。     

激光选区融化成形多孔硬骨支架的建模、仿真及实验研究

金属3D打印技术成为当前最具有发展潜力和发展前景的工业制造技术之一,通过SLM激光选区烧结技术,选取合理的烧结参数,将金属粉末烧结成型。建立了不同孔径的多孔支架复杂三维模型,并通过有限元分析进行应力、应变的模拟分析,获得了优化后的多孔支架三维模型,为后续的实验研究分析建立理论基础,然后通过SLM烧结技术制备316L不锈钢多孔支架,通过后期热处理实验、压缩试验、金相实验,对多孔试样进行力学性能分析、硬度测试以及表面微观组织分析。通过模拟分析获得优化后的多孔支架孔径尺寸,获得了更适于人体骨骼缺损部位承重的多孔支架,可对后续研究进行指导。实验研究发现300μm孔径支架强度和弹性模量都高于天然骨,而成形多孔结构的金属件保证了骨骼修复体的生物力学性能,具有良好的力学性能。     

3D凝胶打印制备用于松质骨工程的TCP多孔支架（英文）

通过3D凝胶打印(3DGP)技术制备了高强度和高孔隙率的磷酸三钙(TCP)多孔支架,通过扫描电子显微镜(SEM)观察支架的微观形态,并通过初步的动物实验评估了多孔支架的生物相容性。研究结果表明,适合打印的浆料固含量为34%(体积分数),打印支架在长度、宽度和高度方向上的收缩率分别为11.44%±0.20%,9.41%±0.23%和10.57%±0.20%。当支架在1150℃下烧结2 h后,支架的抗压强度为22.6±0.12 MPa,孔隙率约为62.1%。初步的动物植入实验显示多孔TCP支架在兔股骨髁缺损处未引起明显的排斥反应,并在骨与支架的连接处未见炎症反应或慢性炎症反应。通过3DGP技术制备的多孔TCP支架具有良好的生物相容性和力学性能,有望满足松质骨的植入要求,为下一步的实验研究打下基础。     

3D凝胶打印制备用于松质骨工程的TCP多孔支架

通过3D凝胶打印（3DGP）技术制备了高强度和高孔隙率的磷酸三钙（TCP）多孔支架,通过扫描电子显微镜（SEM）观察支架的微观形态,并通过初步的动物实验评估了多孔支架的生物相容性。研究结果表明,适合打印的浆料固含量为34%（体积分数）,打印支架在长度、宽度和高度方向上的收缩率分别为11.44%±0.20%,9.41%±0.23%和10.57%±0.20%。当支架在1150 ℃下烧结2 h后,支架的抗压强度为22.6±0.12 MPa,孔隙率约为62.1%。初步的动物植入实验显示多孔TCP支架在兔股骨髁缺损处未引起明显的排斥反应,并在骨与支架的连接处未见炎症反应或慢性炎症反应。通过3DGP技术制备的多孔TCP支架具有良好的生物相容性和力学性能,有望满足松质骨的植入要求,为下一步的实验研究打下基础。     

不同类型多孔结构生物材料支架制备及其性能优化

多孔支架是组织工程应用中的关键环节,类似细胞外基质的作用,支撑细胞的粘附和随后细胞向组织的衍化。虽然目前已采用多种制备技术研发出大量的多孔支架,但是多孔生物材料支架的制备和性能优化,仍然是组织工程支架领域的研究热点。结合实验室工作,综述了多种制备不同类型多孔结构生物材料支架的制备技术,主要包括颗粒和纤维堆积型支架、泡沫浸渍法支架和颗粒制孔支架等的制备技术,并阐述了这些制备技术对多孔结构支架的孔结构、贯通性和力学性能的改善效果。其目的旨在提供满足组织工程需求的多孔生物材料支架。     

利用冷冻干燥原位构筑仿生型纳米羟基磷灰石、壳聚糖多孔支架材料

在目前仿生制备骨缺损修复材料研究的基础上,利用冷冻干燥技术结合原位复合方法在成分仿生的基础上进行结构仿生制备骨缺损修复材料.充分利用壳聚糖的溶解、沉析和羟基磷灰石形成特性,在室温下实现了纳米羟基磷灰石在多孔支架中的纳米分散.研究结果表明,利用冷冻干燥原位构筑的多孔支架材料拥有很好的相互贯穿多孔连通结构,孔径分布为100～136 μm,孔隙率达到96.1%.此外,原位形成的纳米羟基磷灰石(95 nm)对于多孔支架还起到了纳米增强作用,支架表现出良好的力学性能,可以根据不同缺损形状实现随意赋行.体外生物活性测试表明,该支架材料具有很好的生物活性,是一种优越的潜在骨缺损修复支架材料.     

基于激光叠层制造的多孔医用植入支架的开发(英文)

研究多孔医用植入支架的数字化设计和激光叠层制造工艺制备方法。利用CT技术和Pro/Engineer 软件设计出具备个性化特征的多孔人工股骨模型和多孔心血管支架模型,然后采用钛合金粉末材料,由选区激光熔化工艺直接制备出来。结果表明,通过改进支架单元体的结构工艺性,可以避免添加支撑,所制备的多孔支架具有良好的贯通性。同时,若干问题也呈现出来,如单元体的几何精度较差。由于患者具备个体特征,叠层制造工艺所具备的自由设计有利于其在医学上的应用。随着设计、工艺、生物相容性等的进一步研究,将会开发出更多的支架并应用于临床。     

网眼状多孔陶瓷支架的冷冻干燥制备及其生物性能

采用叔丁醇溶液为冷冻媒介,冷冻干燥技术制备出网眼状多孔氧化铝陶瓷支架。通过改变冷冻温度影响网眼孔陶瓷支架孔径,并对不同孔径的网眼孔支架进行生物性能分析。结果表明,采用叔丁醇冷冻干燥技术制备的网眼孔支架主要以开孔为主,网眼孔支架孔径随着冷冻温度的降低而减少,但支架的开孔孔隙率不受冷冻温度影响。体外模拟实验表明,大孔径的网眼孔支架有利于细胞在表面生长,细胞贴壁生长,形态正常。支架表面细胞的附着率随支架孔径的增大而增多。     

用于高品质射频集成电感的厚膜多孔硅背向生长技术

介绍了一种用于高品质射频集成电感的厚膜多孔硅背向生长技术.ASITIC模拟证明厚膜多孔硅衬底能够显著提高射频集成电感的性能.采用背向生长技术成功地制备出了厚膜多孔硅包括穿透整个硅片的多孔硅,并证实了该技术作为后处理工艺应用于CMOS技术的可行性.ESEM对所制样品的表面和截面形貌进行了分析.通过多组实验,得出了多孔硅生长速度与腐蚀电流密度的准线性关系.     

天然HA与双相磷酸钙复合支架修复骨缺损对比研究

以真空冷冻干燥方法制备骨碎补-天然羟基磷灰石-壳聚糖和骨碎补-双相磷酸钙-壳聚糖两种复合多孔支架材料。通过对两种材料的组织结构、性能及观察不同时间兔颌骨骨缺损修复状态的研究,比较这两种支架材料的成骨性能。结果表明:骨碎补-天然羟基磷灰石-壳聚糖支架材料具有天然骨的结构及多孔形态,利于骨组织长入,骨密度值更高、骨修复速率高和骨吸收重建过程也优于双相磷酸钙的复合多孔支架材料,具有更好的成骨活性。     

高性能多孔β-TCP陶瓷/明胶复合材料制备研究

采用Ca(OH)2/H3PO4中和反应,超声分散条件下制备β-TCP粉末原料;通过致孔剂方法制备多孔β-TCP支架,并在β-TCP成型过程中加入K2HPO4提高支架强度将制备的多孔支架与明胶复合,冷冻干燥后与戊二醛交联,得到多孔β-TCP/明胶复合支架.实验表明,加入K2HPO4后提高了支架强度,当多孔β-TCP支架孔隙率为49.47%时抗压强度为7.60 MPa.多孔β-TCP支架的孔隙率高、强度高、孔隙大小可控、孔隙连通性好;进一步与明胶复合后,制各的多孔β-TCP/明胶复合材料,符合组织工程结构特征的要求.     

ZnO表面改性Zn-Cu组织工程支架的研究

目的 利用ZnO对Zn-Cu组织支架材料进行表面改性,以提高其亲水性和抑菌、抗菌性能.方法 采用气压渗流铸造法制备了理论孔隙率约为60％的Zn-xCu(x=0,1,2,3)合金组织工程支架,并利用水热法对Zn-xCu(x=0,1,2,3)组织工程多孔支架进行ZnO表面修饰.采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪,对制备的多孔...     

3D打印Ti-6Al-4V钛合金表面纳米孔洞制备技术

目的 通过3D打印技术制得钛合金,并构建出微米级多孔粗糙表面,再通过阳极氧化表面处理技术在微米级多孔粗糙表面构建出纳米级结构.方法 首先,通过高压水处理与酸蚀处理相结合的方法,对3D打印钛合金表面进行前处理,去除不良结合的球形粉末颗粒,降低3D打印钛合金表面的粗糙度及各向异性.然后,通过阳极氧化处理,在3D打印钛合金表面制备出具有纳米级孔洞的TiO2类骨膜层.结果 3D打印钛合金表面存在较大的各向异性,导致后续的电化学过程中电场放电不均匀,形成的TiO2类骨膜层稳定性差,而阳极氧化的前处理方法可有效解决这些问题.此外,纳米多孔结构抑制了阳极氧化处理中不稳定放电现象的发生,保证了膜层表面颜色的均匀性,且使膜层与钛或钛合金结合牢固,可在3D打印钛合金表面构建纳米级膜层结构.结论 该工艺方法制备的3D打印钛合金表面膜层的成膜速率和稳定性较好,膜层呈三维网状结构,大孔内附有小孔.该结构有利于细胞在其表面更好地粘附、分化和增殖,是理想的医用植入材料.     

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。     

多孔β-磷酸三钙支架材料的制备

采用泡沫浆料与三维凝胶叠层技术,成功制备了具有合适孔径和良好连通性的多孔β-磷酸三钙支架.研究了不同烧结温度和浆料固相含量对支架材料性能的影响.在优选的工艺参数下,所得到的多孔支架气孔率为72.9%～76.0%,抗压强度为4.9MPa～5.8MPa,其性能可以满足骨组织工程的需要.     

多孔Fe-Mn合金表面微纳形貌调控及其生物相容性评价

铁基可降解金属因其良好的生物相容性和优异的机械性能,在骨科植入物领域具有广阔的应用前景,但必须突破其降解速率过慢的瓶颈问题。本研究通过电化学技术对3D打印多孔铁锰合金(Fe-30Mn)支架表面进行去合金化处理。通过扫描电镜观察发现,以盐酸和氯化钠分别作为去合金化处理介质溶液,可以在支架表面形成多微孔网络结构和片状纳米结构。接触角和粗糙度测试显示,2种微纳结构的构建均显著改善了Fe-30Mn支架表面亲水性,并提升了其表面粗糙度,多微孔网络结构更加粗糙并且亲水性更好。利用静态浸泡法和电化学耐腐蚀实验评估合金化处理前后支架的腐蚀速率,发现表面微纳结构的形成可加速Fe-30Mn支架的降解。建立体外成骨细胞培养模型,通过激光共聚焦观察及细胞增殖测试发现,经合金化处理的2种支架均能支撑细胞的贴附和增殖,具有良好的细胞相容性。结果表明,经电化学去合金化处理后,Fe-30Mn支架的降解速度得以增强,同时保持了良好的生物相容性,有望在骨修复领域得到较好应用。     

孔隙率对电子束选区熔化多孔钽支架力学性能的影响（英文）

研究了孔隙率对电子束选区熔化(EB-PBF)多孔钽支架压缩、弯曲和拉伸性能的影响。通过改变多孔钽支架设计孔隙率以及调整熔化工艺参数,获得了孔隙率为69%～77.8%的多孔钽支架。研究表明,随着能量密度的增加,多孔钽支架中的孔洞和未熔融粉末减少。随着孔隙率的下降,多孔钽支架的力学性能增加。EB-PBF多孔钽支架压缩屈服强度、弯曲屈服强度以及拉伸屈服强度与相对密度的关系可以用指数模型来描述,弹性模量则与相对密度较好地符合Gibson-Ashby模型。多孔钽支架在压缩、弯曲和拉伸试验中均表现出良好的延性,在压缩过程中没有发现杆筋断裂,但在90°弯曲后,多孔钽杆筋表面出现裂纹,这主要是由于对氧化物引起的缺陷具有较高的敏感性。     

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。     

纳米珍珠质/Ⅰ型胶原复合支架结构及活性研究

研究了纳米珍珠质/I型胶原复合支架的组成结构及对MC3T3-E1前成骨细胞的影响。应用扫描电镜、X射线衍射,光谱法进行组成结构,钙离子和多肽释放测试。将MC3T3-E1前成骨细胞在复合支架上进行培养,测定细胞增殖率,碱性磷酸酶及I型胶原蛋白的表达。结果表明,纳米珍珠质/I型胶原复合支架呈多孔状结构,能缓慢释放游离钙离子和多肽。MC3T3-E1细胞生长良好,碱性磷酸酶、胶原蛋白表达水平明显提高。复合支架对MC3T3-E1细胞成骨活性有明显的促进作用。