（材料学专业论文）Ti15Mo3Nb合金表面活化处理及其生物相容性的研究.pdf

摘要 摘要 本文研究和制备了不含毒性元素且具有较好生物相容性和力学相容性的b 型 t i - 1 5 m o - 3 n b 钛合金，并对钛合金的组织、成分及性能进行研究。依次用硝酸和k o h 水 溶液活化处理其表面。通过这种化学活化的方法制备生物活性表面，诱导羟基磷灰石在 其表面形成，通过模拟体液培养得到h a 钛酸钾钛合金梯度复合材料，对于其界面之间 的结合进行研究。化学处理方法对钛合金进行活化，通过s e m 、e d s 、x r d 观察分析表面 形成的涂层，对其显微形貌、相组成、涂层与基体间的结合状态进行分析，得到了最佳 处理工艺，探讨了活化机理。结合体内外实验，包括细胞毒性实验和皮下埋植实验，综 合评价所制备复合材料的生物相容性。结果表明： 1 利用非自耗真空电弧凝壳炉制备得到了高质量的t i 一1 5 m o 3 n b 钛合金，其组织为 均匀的1 3 相组织。酸碱处理在t i 一1 5 m o 一3 n b 合金表面提供了一个生物活性梯度结构，表 面形成细密的网孔状结构，多孔网状结构的成分是钛酸钾( k 2 t i 8 0 1 7 或k 2 t i 2 0 5 ) 和二氧 化钛。得到最佳的处理工艺为h n o 。处理后，在1 l o 下，2 m 的k o h 溶液，处理5 小时。 2 通过模拟体液培养得到h a 钛酸钾钛合金梯度复合材料。材料从模拟体液中吸收 了钙磷离子，羟基磷灰石 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 】在钛酸钾凝胶层的多孔网状结构上形核长大。 预钙化明显的增强了钙磷层在钛合金的改性表面上的沉积能力。最终在钛合金表面形成 了生物活性梯度涂层，增强了与活骨的结合能力。 3 h a 钛酸钾钛合金和驰一1 5 m o 一3 n b 钛合金两种骨替代材料进行细胞毒性评价，两 种骨替代材料对成骨细胞生长无抑制作用，未发生细胞毒性反应，可见二者均具有良好 的细胞相容性。 i a 钛酸钾钛合金复合材料较之钛合金材料有更好的成骨性。 4 材料植入皮下组织后，早期有炎症反应，4 周后炎性浸润明显减轻，1 2 周炎症反 应消失。材料植入1 周可见结缔组织增生形成的囊壁，疏松且厚，不完整包裹材料，组织 成分为纤维母细胞和纤维细胞。4 周后，囊壁逐渐变薄，开始形成胶原纤维组织。1 2 周囊 壁菲薄，为胶原纤维组织，停止继续增生。综合评价材料所引起的组织反应为轻度。 钛合金表面活化处理并仿生沉积类骨磷灰石的试验材料，即h a 钛酸钾钛合金材料 具有良好的生物相容性。作为骨组织替换材料具有广阔的前景。 关键词：表面改性，钛酸钾，酸碱处理，模拟体液培养，细胞培养，皮下植入，生物相 容性 摘要 a b s t r a c t t i - 15 m o 一3 n ba l l o y sw i t hb e t t e r b i o c o m p a t i b i i i t ya n dm e c h a n i c a lc o n s i s t e n c ym a d w i t h o u tt o x i c i t ye l e m e n tw a sf a b r i c a t e do u ti nt h i sw o r k t h es t r u c t u r ea n dc o n s t i t u e n t sa n d p e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d 懿1 es u r f a c eo ft i - 1 5 m o 一3 n ba l l o y sw a si n 。t u r nc h e m i c a l l y a c t i v a t e dw i t hh n 0 3a n dk o ha 鼋u e o u ss o l u t i o n mb i o a c t i v es u r f a c ei n d u c e d 氇ef o r m a t i o n o fh y d r o x y a p a t i t e ( 鹚l a y e rb yi m m e r s i n gt h es a m p l ei ns b et h e nt h ec o m p o s i t eo f h a p o t a s s i u mt i t a n a t e t i t a r t i u mm l o y sw e r eg a i n e d s e m 、e d s 、x r dw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t e t h ec o a t i n go f s u r f a c e 强es u r f a c em o r p h o l o g y , p h a s ec o n s t i t u t i o na n db i o c o m p a t i b i l i t yo f t h e m a t e r i a lw e r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d 。嬲臻o p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e da n d t h em e c h a n i c so f a c t i v a t i o n w a sd e t e c t e d 强eb i o c o m p a t i b i l i t yo f 啦i sk i n do f c o m p o s i t ew a s c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t e dw i t he x p e r i m e n t s o fi nv i t r oe e l lc u l t i v a t i o f fa n di nv i v o i m p l a n t a t i o n 。捌1 cr e s u l t sl i s t e da sf o l l o w s ： lt i * 1 5 m o - 3 n ba l l o yw a sf a b r i c a t e db yn o n - c o n s u m a b l ev a c u u n la r cs m e l t i n gf u r n a c e t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h i sa l l o yi sh o m o g e n e o u sbp h a s es t r u c t u r e ，1 1 1 eb i o a c t i v eg r a d i e n t s t r u c t u r eo nt h es u r f a c eo f t i 一1 5 m o - 3 n ba l l o yb yt h ea c i da n da l k a l it r e a t m e n t a na m o r p h o u s k 2 t i s o , 7o rk 2 t i 2 0 5a n dt i 0 2l a y e rw i t hn e t w o r ks u r f a c em o r p h o l o g yw a so b s e r v e d 1 1 1 e o p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si s2 mk o ha q u e o u ss o l u t i o nu n d e r110 f o r5h o u r sa f t e r t i l eh n 0 3t r e a t m e n t 2 n eb i o a c t i v es u r f a c ei n d u c e dt h ef o r m a t i o no fh y d r o x y a p a t i t e ( h a ) l a y e r b y i m m e r s i n gt h es a m p l ei ns b et h e nt h ec o m p o s i t eo fh a p o t a s s i u mf i t a n a t e t i t a n i u ma l l o y s w e r eg a i n e d i m m e r s i n gt h es a m p l ei ns b fr e s u l t e di nt h ef a s tf o r m a t i o no f a m o r p h o u sc a - p p a r t i c l e si nt 量l ef r a m eo f 疆ea c t i v en e t w o r k ，t h e nn u c l e a t i o na n dp r o m o t e dt h eg r o w t ho f a 。 i tw a , qf o u n dt h a tt h er a t eo fa p a t i t ef o r m a t i o no ns u r f a c eo ft i t a n i u m 采l o y sw a ss i g n i f i c a n t l y e n f o r c e db yp r e - c a l c i f i c a t i o na f t e ra l k a l i t r e a t m e n t 3 。t oe v a l u a t et h eb i o e o m p a t i b i l i t yo fm a t e r i a l si n v i t r o ，o s t e o b l a s tc e l l s ( o c t - i ) w e r e c u l t i v a t e dw i t hs u b s t i t u t e sf o rb o n et i s s u e ，i n c l u d i n gh a p o t a s s i u mt i t a n a t e t i t a n i u ma l l o y s a n dt i - 1 5 m o 一3 n ba l l o y s 。到kr e s u l t ss h o w e dt h a tb t l lm a t e r i a l sh a dn oo b v i o u se f f e c to nt h e p r o l i f e r a t i o no f 吐l ec e l l s b o t hm a t e r i a l s w e r eb i o c o m p a t i b l et oo s t e o b l a s tc e l l s ，b o 咖 m a t e r i a l sc o u l dp r o m o t et h em i g r a t i o na n da t t a c h m e n to fo s t e o b l a s t st ot h e n l t h ec e l l s a t t a c h m e n t s h a p e a n d p r o l i f e r a t i o nr a t eo fc e l l sw e r eg o o d w h i l eh a p o t a s s i u m t i t a n a t e t i t a n i u ma l l o y sw a sab e t t e rs u b s t i t u t ef o rb o n et i s s u e s ，f o ri th a sb e t t e ro s t e o g e n i c a c t i o n 摘要 4 t h em a t e r i a l sw e r ei m p l a n t e di nt h es u b c u t a n e o u sp a r to fr a b b i ta n dt i s s u ew a s o b s e r v e d i nt h ei m p l a n t i n gt i s s u e sf o r1w e e k ，t h ec y s tw a l l ，w h i c hf o r m e db yp r o l i f e r a t i o no f c o n n e c t i v et i s s u e ，w a sl o o s ea n dt h i c k i nt h ei m p l a n t i n gt i s s u e sf o r4w e e k s ，i n f l a m m a t o r y r e a c t i o ni sr e d u c e d i tw a so b s e r v e dt h a tn e u t r a lc e l l sw a sf e w , o n l yaf e wo fl y m p h c y t e sa n d m o n o c y t e se x i s t t h i c k n e s so ff i b r em e m b r a n er e d u c e da n dc o l l a g e n o u sf i b e rt i s s u ef o r m e d i nt h ei m p l a n t i n gt i s s u e sf o r12w e e k s ，i n f l a m m a t o r yr e a c t i o nw a sa l m o s td i s a p p e a r e da n dt h e d e n s i t yo fi n f l a m m a t i o nc e l l si s l e s s t h ec y s tw a l lw a sv e r yt h i na n dc o m p a c tw h i l et h e p r o l i f e r a t i o ns t o p p e d t h er e s u l t ss h o wt i s s u er e a c t i o nc a u s e db yt h em a t e r i a l si sg e n t l e k e yw o r d s ：s u r f a c em o d i f i c a t i o n ，p o t a s s i u mt i t a n a t ec o a t i n g ，a c i d - a l k a l it r e a t m e n t ， s i m u l a t e d b o d yf l u i d ( s b f ) c u l t i v a t i o n ，c e l l c u l t i v a t i o n ，s u b c u t a n e o u si m p l a n t a t i o n ， b i o c o m p a t i b i l i t y 河北工业太学硕士学位论文 第一章绪论 i - i 引言 生物医学材料( b i o m a t e r i a l s ) ，是指和生物系统相作用，用以诊断、治疗修复或替代机体中的 组织、器官或增避其功能嬲材料f l 翔。生物医学材料是与人类生套和键康密切相关的，对人体组 织、血液不致产嫩不良反应的材料。生物医学材料离接与生物系统相作用，除了各种理化性质要 求外，必须具有起好的生物或组织楣容性，这是生物医学材料区别于其他功能材料最重要的特征 9 j 。当前，生物隈学材料研究开发的主要鹣势是致力于提高材料的生物相容性、生物功能性、侪 生性以及赋予材料生命活性，适应临床对各种组织和器官修艇的高级要求，为临床医学的发展提 供新的物质基础。 生物医用金属材料夜生物医用材料中占有重要的地位。这类材料典有高的机械强度和抗疲劳 性能，鬣l 陆床应爝最广泛的承力植入体，除力学性矫。医嗣企属材辩逐必须员有优良静抗生理癃 蚀性和生物相容性。用于l 临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛和钛台金，主要用于硬 缝织修笺和替换# l 。骨科审主要胡予翻造各种大工关节，天王曾及各释肉、多 固定器械；牙科中主 霉用于翻造义齿、充填体、种植体、矫形丝及各种辅助治疗器件。_ i 酲年来，具有高的机械强度， 低弹性棱量及无毒蛙：元素梅残酶蓑灌1 3 钦含金受銎 广泛关注，蠢显这方蘑露研究_ 芷在逐遮接避； 但是，没有种生物医学材料能完全满鼹临床使用的各项器求。长期研究与应用发现，医用焱 攫耪糙在髂内袭瑷为生穆渗幢，蕊入髂内不戆与密主缀织发垒键合，与缀缀鳝会不挈露，客器松动 而导致失败。另外，由生瑷腐蚀造成的金属离子向周围组织扩散导致毒副作用。所以，提高种植体 与生物挽嚣静维套经戆是瓣藏爨嚣壤敷难题之一。嚣薅瓣决这个照题懿主要途径蹩在毒| 鹣袭嚣割务 生物活性涂层，而用的最多的材料则是羟基磷灰石( 1 i a ) 。 本磊毋究透过簿单的酸碱：蛏理法农钛舍金裘瑟褥到涟性层，诱导羟基骥灰石在其表嚣形成，得到 了具有表面活性的 i a 钛酸钾钛合窳复合材料，并分g u 采用体内、体外的方法研究了其生物相容性。 1 - 2 硬组织修复材料及萁生物相容性 1 - 2 - 1 硬疆绞修复耩瓣静概述 硬缎织修复材料是组织工程材料中重要的一部分，即骨、软骨和口腔材料。骨和关节是人体主 要承受负荷的舞缎器官，鼷损的修簸应其寄黼强度。迄今为止，角予璎缀织修复与替换静材瓣蕾嘏 金属材料，其次是生物陶瓷、聚合物、复合材料及人和动物的骨骼衍生物等。硬组织修复与重建材 瓣是生秘医学耱辩中发展最擎、最躐熬的领域。这表璇在蘩床孛被广泛接受与磨崩，嗣辩，对硬缀 织替换材料的研究仍在迅速的发展之中。 在餮+ 葶 l 关节幕统复杂瓣成为条秘：下，不投要求修复耪秘无毒副俸蠲、毒生魏安全洼，嚣且必须 河北工业大学硕十学位论文 第一章绪论 生物医学材料( b i o r n a t e r i a l s ) ，足指和生物系统相作用，用咀诊断、治疗修复或替代机体中的 组织、器官或增进其功能的材料1 1 2 。生物医学材料是与人类生命和健康密切相关的，对人体组 织、血液不致产生不良反应的材料。生物医学材料直接与生物系统相作用，除j ，各种理化性质耍 求外，必须具有良好的生物或组织相容性，这是生物医学材料区别于其他功能材料最重要的特征 ”j 。当前，生物医学材料研究开发的主要趋势足致力于提高材料的生物相容性、生物功能性、仿 生性以及赋予材料生命活性，适应临床对各种组织和器官修复的高级要求，为临床医学的发艘提 供新的物质基础。 生物医用金属材料在生物医用材料中占有重要的地位。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳 性能，是临床应用最广泛的承力植入体，除力学性能外医用金属材料还必须具有优良的抗生理腐 蚀性和生物相窖性。用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钻基台金、钛和钛台金，主要用于硬 组织修复和替换1 4 1 。骨科中主要_ h j 于制造各种人t 关节，人工骨及各种内、外同定器械；牙科中主 耍用于制造义齿、充填体、种植体、矫形丝及各种辅助治疗器件【l 】。近年来，具有高的机械强度， 低弹性模量及无毒性元素构成的新型b 钛台金受到广泛关注，而且这方面的研究正在迅速推进。 但是，没有一种生物医学材料能完全满足临床使用的各项要求。长炳研究与应用发现，睡用金 属材料在体内表现为生物惰性，植入体内不能与宿主组织发生键台，与组织结合不牢固，容易松动 而导致失败。另步卜，由生理腐蚀造成的金属离子向周围组织扩散导致毒副作用。所以提高种植体 与生物机体的结合性能是目前所面临的难题之一。目前解决这个问题的主要途径是在材料表面制各 生物活性淙层，而用的最多的材料则是羟基磷灰石( h a ) 。 本研究通过简单的酸碱处理法在钛合金表面得到活性层，诱导羟基磷灰石在其表面形成，得到 了具有表面活性的i i a 钛酸钾钛台金复合材料，并分别采用体内、体外的方法研究了其生物相容性。 1 - 2 硬组织修复材料及其生物相容性 1 - 2 1 硬组织修复材料的概述 硬组织修复材料是组织工程材料中重要的一部分，即骨、软骨和口腔材料。骨和关节是人体主 要承受负荷的细纵器官，缺损的修复应具有高强度。迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料首推 金属材料，其次是生物陶瓷、聚合物、复合材料及人和动物的骨骼衍生物等。硬组织修复与重建材 料是生物医学材剁中发展最早、最成熟的领域。这表现在临床中被j - 泛接受与应_ l i f j ，同时，对硬组 织替换材料的研究仍在迅速的发展之中。 在骨和关节系统复杂的应力条件下，不仅要求修复材料无毒副作用、有生物安全性而h 必须 在骨和关节系统复杂的应力条件下，不仅要求修复材料无毒副作用、有生物安全性而且必须 t i 一1 5 m o - 3 n b 含金袭断活化处瑷及其生物相容性的研巍 有足够豹力学强浚，荠辘与蒹嚣率强豹结合瓣。舅井，由予燮穆医蠲毒孝辩瓣应溺，登矮经过涟毒灭 荫，因此硬组织修复材料述需要具有良好的灭菌性能。能保诞生物材料在临床上的顺利应用，不阑 静帮条镗，妇予热，浸熬，气俸，辐瓣等瓣影噙瑟改交叁赛熬镶藐。 臼髓，临床成用中硬缎织修复材料主要悬金属材料。金属材料强度商，但是盘属材料属于生物 精蛙枣| 辩，植入a 体惹，岛人体缀绫不发囊采翱瞧懿诧学反寝，始鏊髂为宿主辩髯薄存在，容雾产 生松动、变形。煲有甚者，由于大多数金属材料的抗腐蚀性较麓，在长期的体液作用下，材料袭丽 鹣金属簿予瘫撬体游骞扩敬。裁激掰攫缝双发炎，箍黧坏甄，最终导致耱蓬失羧1 5 , l s i 。不仅强魏， 反应物进入血液中还会经循环系统造成全身中毒，肖可能导致畸变、致癌等。目前，金属骨科材料 鹾宠方瓣，主要豢中在努发蘩豹金耩裘蟊楚溅技术，袭翼金羼表嚣多i l 鼓术及涂鬃技零l 引“。生魏凑瓷 材料包括羟基磷敷石、磷酸三钙、生物玻璃、自固化磷酸钙等。磷酸三镝陶瓷谯八体内嘁收过快从 ；嚣造成缺醛，残基磷获嚣豹臆攫太，擐罐邋孀手罄代承力郝经i l k l 2 1 。魏国讫磷酸钙 1 3 , 1 4 , 1 5 】，瞧稼 静水泥( o n ) ，它锺由几种磷酸钙鼗缀成的混合物，能程人体的环境和漱艘下自槽硬仡，冀成分最终 转纯荛黻，但仍嚣法满足铰大爨力部位的使用要求。巍生物衡生糖辩方瓣，已经键明了聪蜓嚣基震， 鄢分脱鬣瞄骨，薰缀合异释骨，孺瑚臂等l l ”。 年代后期，h a 复仓骨替代材料得到快速发展。朔h a 与天然生物材料( 如嚣彤成蟹囱、驳凰、 簸骨髓、擒骨缀脆等) 静楚念1 1 8 , 1 9 1 ， l 矗与舂秘菇分子聚含穆豹整合( 如聚警0 酸耱辩p l a ，黎己烯耱瓣 p e 等) 网】。理想的骨替代材料应该熄一种具谢离的生物相容蚀、生物活性的物质，它的机械性能岛 天然雷鞠警。融一黢潦、珏袅一p l a ，t l a - p e 复合秘瓣懿磷炎，基本主是是| l 矗鞭粒乓聚合秘豹枫猿瀑食， 复合材料两相之间缺乏化学键结台，也没有形成有序的微观结构。因此麒使用也麓到了一定程度的 黻餐。 。 ” 一 、 一 综上所述，人工骨替代材料己商2 0 多年的研究历史，但黧今尚无一种十分商效的替代材料。仿 壹蔓彝缀织王程毒| 辩驹骚究将楚来寒囊舅究疆缀织餐钱枣| 瓣戆一令方彝。癌弼缡寒技术经乎燕魄较奏翡 途的翻备生物材料的方法，英国科举家研制的模仿人体的天然趟结构骨材，已替代不锈钢材料用于 入钵矮纛攀末，邋释由羟簇瓣灰露螽掊 鸯袋豹终凄，蓐生物甓矮藏势穰黼，与天然夤囊翁疆痉秘密 度也相嗣，其生物生命期超过3 0 年。清华大学崔福裔教授在对骨基质生长过程进行了详细研究的熬 箍上，裁鞠了荻羰鏊霸卷藻嚣耪羚，该耪瓣汪藏功逡入l | 蠡寨# ”。 据摄蹲【i ”，骨科修复器材约占暖疗器械市场的十分之一。2 0 0 1 全世界骨科修艇器材市场为1 4 7 貔美元，其中人工关节4 亿菱元，嚣鞋蓥复材辩堙必燕元。2 0 0 1 年翻内天王关节置换痰铡约燕3 万多倒。蔺内人工关节生产企业有十来家，其产品约占国内市场的6 0 ( 其中北京百慕航材有限公 翅嚣兹索籍鲁巍， 科撞入貔公司产爨最大，麴占国内侉场豹5 0 ) 1 7 oj 琏年来我邂在a 工关节的科 研投入不断加大，闰内在入工关节方面取褥r 不少研究成果，後我国的人_ 关节水平不断罐高，接 避国际先进水乎。 我黼a 西众多，医疗保健驻务的基数大，生物隧学耪辩和人工器密鳃需求繁大。毽怒我国空秘 题学材料产业基磁薄弱，绝大部分俊嚣进口。嗣前，生物医用材料是一个正在迅速发展的简技术领 域，不投给医学带采了摹命经静影响，两虽正澎菠一个较大鲍产盛。生物医用耱拳 产赫隧麓售离， 近l o 年生物医用材料产品市场一商以每年2 0 速度递增。硬组织替换材料作为生物材料麓鬃的组成 2 河北工业大学硕士学位论文 部分，近二十年来褥铡了长足的发震。国内市场对键鳃苏替换材料的需求量程丈，菠着社会鑫穹发蒜， 科技和蓬学嚣进步，有越来憨多静性畿更耋 静材料为，人书j 所翊。吾蓐隶垂摹8 发糙这类耱料其有重大鹊经 济效益帮社会效益。 1 - 2 也碗组织修复材料的生物相容性及评价方法 i - 2 - 2 1 硬组织修复材料的组织相静眭 目前关f 生物材料性能评价的研究主要集中在生物柏容性方面。因为生物相容性是生物材料研 究中始终贯穿的主题。它是指生命体组织与非生命材料产生合乎疆求的反应的一种性能( 2 3 i ，该材料 既能是非活性的又能是活性的。 生物相容性表征生物医学材料的生物学性能，它决定于材料和活体系统间的相互作阳，这种相 互作用包括两个方面：( 1 ) 宿主反成，包括局部和全身反应，如炎症、细胞毒性、溶血、刺激性、致 敏、致癌、敬诱变、致畸和免疫反应等，冀结巢可能导致对机体的毒削作用和机体对材料的排斥； ( 2 ) 材料反应，主要来自生物环境对材料的腐蚀和降解，可能使材辩往质发生变化，蒹至破坏# ”。 因此，对生物医学材料必须遴行生物相容馁评价，甏求植入体内瑶，宿主和材瓣相互伟用，保持在 可接受的水平。 生秘相容往与其使用蟊的和条件密切稻关，包括组臻褶铎性藉盘液稻容性，与斑滚宣接接触酶 材瓣主簧考察与斑液静栩互俸用，称盎液辎容憔；苟醌肉、静骼、交默等组织搂触瓣藉料鹣生物相 容性，称秀组织相容性。现在普遍诀为，黛貔辎容链包括秀太原期，是生物安全性蒙援孳，= 是生 秘凌熊桎蘸煲l # 4 勰。生物安全性是植入体幽静生镑材料囊满足憋蓠要性能，是枣章料与密主之耀能否 结舍竞努熬关键。 。 原女g 土所有瓣耪辩都要g l 起瘩主反应。反瘛发生在组织号植入物的界疆上，同漪取决于许多因 素。除了组织方题的影响因素，植入体方露的影响因素蠢：撼入体约缎成、植入体的相、边界状态、 衷嚣孔朦率、化学反应、结合的紧密和机械负荷等。 人体是个及其复杂的生理环境，存在着影响生物医学材料性能的各种因素。生物医学材料在 生物体内的组织反应与材料本身的化学组成，结构以及表面特征等因綮有关。组织相容性要求医用 材料植入体内后与组织接触无任何不良反应。当医用材料植入体内某部位时，局部的组织对异物 的反应属于种机体防御性反应，植入物周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和眷噬细胞浆集，发生 不同程度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，材料拔淋巴细胞、成纤维细胞和胶原纤维包裹， 形成纤维性包膜囊，使正常组织和材料隔开。如果材料无任何毒性，组织相容性良好，则在半年、 一年或更长时间后包膜囊变薄，囊壁中的淋巴细胞消失在显微镜下只见到很薄的1 2 层成纤维细 胞形成的无炎症反应盼正常包膜囊。如粟植入材料缀织相容性差。材料中筏留小分子毒性物质不断 渗出，就会莉激局部组织细胞形成慢往炎瘸，材科稍嗣酌色囊壁增厚，淋巴细耱浸润，逐步出现斑 芽肿或发生癌交。 随著薪代生耪医用耪料麓研究帮发和组织工程盼发展，生猕摆容性翡研究蠢容扩矮到辑究生 耪耪糕携带翁功髓耪屡在与寄辊钵静嘏互俸瑁审，产生存利于壤体生念活动延续寝健遴生鑫涯动正 常避行瓣各种爱瘫。生秘材料表嚣麓分子鳃戒葶爨结构强烈影峻它辑吸赡鲢骚自麓组成积结构，绣以 t i - i5 m o 3 n b 合金表面活化处理及其生物相容性的研究 其细微变化对材料生物活性的改变是相当巨大的。目前，对材料表面进行分子生物学设计的主要方 法是将一些有生理功能的物质如蛋白质、多肽、酶和细胞生长因子等固定在材料表面，充当邻近细 胞、基质或可溶性因子的配基或受体，使表面形成一个能与生物活体相适应的过渡层。传统的生物 材料经表面分子设计后，增加了界面相容性，使异物反应减至最小，有效的改变了与组织、细胞结 合的能力。 发展具有主动诱导、激发人体组织和器官再生修复功能的，能参与人体能量和物质交换产生相 互结台的功能性活性生物材料，成为生物材料研究的主要方向之一。如何能够制备出纳米尺寸的生 物材料的工艺以及纳米生物材料本身成为研究热点之。关于生物材料的综合评价技术的研究成为 该领域中的重要分支。 1 - 2 2 2 组织相容性的评价标准及评价方法 关于生物材料生物学评价标准的研究始于2 0 世纪7 0 年代，目前形成了从细胞水平到整体动物 的较完整的评价框架。1 9 9 2 年国际标准化组织( i s 0 ) 以1 0 9 9 3 编号发布了医疗装置生物学评价系列 标准 2 6 1目前己制定了2 1 个标准。此国际标准由下列部分组成：试验选择指南；动物福利要求： 遗传毒性、致癌性试验；与血液相互作用试验选择；细胞毒性试验：植入后局部反应试验：环氧乙 烷灭菌残留量；临床调查：材料降解：刺激与致敏试验；全身毒性试验；样品制各与标准样品等口”。 i s 01 0 9 9 3 标准为各国研究生产生物医用材料，保证生物相容性和安全性提供了统一的依据。 1 9 9 7 年，我国国家技术监督局下发了国家标准g b t 1 6 8 8 6 系列医疗器械生物学评价标准哗j 。目 前我国生物医用材料和医疗器械的生物学评价试验选择按g b t 1 6 8 8 6 卜1 9 9 7 进行口。 迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力，国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的 研究，同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平 深入到分子水平。主要在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面 进行了一些研究。但具体评价方法和指标都未统一，更没有标准化删j 。 随着对生物材料生物相容性的深入研究，体外法评价生物材料对生物功能的影响侧重于对细胞 功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性 能的生物材料在人体内长期埋植的稳定性是需要开展评价研究的一个重要方面。对材料本体特征和 表面性质进行分析的多种物理、化学分析方法，有助于判断所研究的材料的生物相容性。 1 - 3 人体骨的基本结构 1 , 5 1 要研究骨组织的替代材料，首先必须对骨的基本结构有深入了解，从而为新型骨替换材料的设 计提供思路和指导。 人体骨骼中含水、有机物、无机盐等成分。其中水的含量较其它组织少，平均约为2 0 2 5 。 在剩余的固体物质中，约4 0 是有机物，约6 0 是无机盐，无机盐决定骨的硬度，有机物决定骨的 弹性和韧性。 一般认为骨中无机相主要为羟基磷灰石( h a ) ，但含有c o 。”、c l 。、f 、n a + 、m g ”等杂质离子。 其中c 0 。2 的含量较高，它可取代h a 中o h 一、p o 一”的位置而成为a 型或b 型碳酸磷灰石( c h a ) ，一般 4 河北工业大学硕士学位论文 骨中这两相同时存在。另外在骨中还发现了非晶磷酸钙( a c p ) 、磷酸八钙( o c p ) 、透磷酸钙( d c p d ) 、 磷酸氢钙( d c p ) 和六方碳酸钙。骨的主要有机质为胶原纤维，约占骨中有机质的9 5 ，另外还有 少量的骨涎酸蛋白、硫酸软骨素、脂类、肽类等。 与合成羟基磷灰石相比，自然骨具有优异的机械性能是由于其具有特殊的结构。胶原纤维成平 行束排列，其中还有大量的h a 晶体，这些晶体非常细小( 1 s n m x 2 0 n m 4 0 6 0 n m ) ，沿胶原纤维 长轴方向定向排列( 即姒晶体的c 轴平行于胶原纤维的长轴) ，呈针状或片状。这种纤维束晶体单 元形成微观薄片，而这些薄片则组成圆柱形片状骨单元( 哈佛氏系统) ，这些骨单元沿骨的应力作用 方向排列。骨单元中心的中空部分成为哈佛氏管，其周围有很多较细小的陷窝和微观环绕，这些陷 窝在微观层片间呈随机分布。很多组织液分布于互相连通的哈佛氏管、微管及陷窝中。由于这些流 体能够通过在互相连通的空隙中流动而吸收应力的能量，从而有效的增加了骨的韧性。扩展裂纹尖 端的大部分能量亦可被易变形有机相所产生的应变所缓解。像血管、微管和陷窝等这些不连续组织 可以阻止裂纹的扩展。因而应力强度和裂纹扩展速率将被缓解。这些结构特征和相关的增韧机制的 存在使得自然骨具有很好的机械性能。 从骨的结构来看，可分成两个不同结构层次的复合，h a 增强胶原纤维构成3 7 p m 的同轴层环 状结构和在微米至纳米尺度上骨小管增强间隙骨。骨盐主要以针状结晶羟基磷灰石以及无定形磷酸 钙的形式分布在胶原基质上，针状结晶羟基磷灰石长4 0 6 0 n m ，径向约3 2 0 n m 。它的结晶方向沿 胶原纤维的长轴分布，晶体的中心晶轴与胶原纤维的长轴平行，羟基磷灰石结晶体因为胶原层与层 的重叠。构成了骨盐的框架结构。 图i f 长阡的分掘结丰勾示意图 l q 9 1 tg r a d 8s n l c t 【i r e o f i c r 堪b 。n e 从材料学的角度来看，可认为骨是一种无机相增强高分子聚合物材料。也可以认为骨是一种弹 性的高分子聚合物增韧羟基磷灰石的复合材料。综上所述，骨可以看成由纳米无机盐与生物大分子 规则排列所形成的复合材料。在骨单元中，有纤维贯穿在层间以增加层间强韧性能，这为复合材料 的增强增韧提供了一定的启示。从成骨的生物过程来看，有机物引导了无机钙盐的定向沉积，这种 5 t i 15 m o 3 n b 台金表面活化处理及其生物相容性的研究 低热工艺与人造陶瓷材料的焙烧工艺完全不同，并可能将无机物的结构有序性保持到分子程度，成 为分子层次的精细结构复合材料，这为复合材料的研究提供了深刻的启示。 人体任何活动都会对骨产生三种类型的力1 3 1j ，即直接作用于骨的外力肌肉收缩产生的内力和 骨对外力、内力产生的反应力。这些力的作用使骨产生形变。在运动或静l e 状态下，使骨髂要接受 剪切力、张力、压缩力和这些力的复合作用。人体骨具有良好的生物力学性质。正常皮质骨的弹性 模量为1 5 2 0 g p a ，拉伸强度极限为1 2 4 m p a ，压缩极限强度为1 7 0 m p a 。且不同骨骼力学性能存在 差异。 为了适应这些力学环境，在构建人工骨时，亦应考虑到这些生物力学功能的特殊性。如果骨修 复材料的力学性质与自然骨有较大差异，则骨修复的效果会显著降低。例如，当替代材料的力学强 度和刚度明显低于自然骨时，由丁替代材料强度太小，不能很好的起支撑作用，骨修复材料的骨传 导作用也会降低，造成骨愈合不良；如果材料的强度或刚度过高，可能会因为应力的屏蔽效应造成 二次骨折，如果材料的弹性模量比皮质骨高很多，皮质骨长期处于屏蔽状态，会出现皮质骨瘦细等 问题。 1 - 4 钛合金及其生物相容性 1 - 4 。1 钛合金的特性 钛及其合金在生物医学领域广泛应用，首先是由于钛元素自身的特点。钛是贵金属中的一种， 在元素周期表中的原子序数为2 2 ，和锆、铪同属4 b 族。1 7 9 1 年g r e g o r 首次发现钛称之为 “e n a c h i t e ”，1 7 9 5 年k l a p r o t h 再次发现时才命名为钛( t i t a n i u m ) 【3 2 】。钛具有比重小，熔点高， 耐腐蚀性好的特点，广泛用于生物医用材料、航空材料、笔记本电脑外壳等。 钛的核外电子结构为：( 1s ) 2 ( 2 s ) 2 ( 2 p ) 6 ( 3 s ) 2 ( 3 p ) 6 ( 3 d ) 2 ( 4 s ) 2 ，其中4 s 和3 d 电子的电离势都较 小，很容易失去这四个电子，因此钛属于活性金属，易于与c 、n 、0 等多种物质发生反应。钛的熔 点为1 6 6 8 c ，属于高熔点金属，在高温冶炼时即使微量的c 、n 、0 也可与钛发生反应并向其内部晶 格扩散。因此钛的冶炼在钛工业中占有重要的地位。目前我国钛的冶炼技术还需要进一步研究开发。 金属钛具有两种同素异型体转变温度为8 8 2 5 c 。低温稳定态为n 型，密排六方晶系，点阵 常数a = o 2 9 5 n m ，c = o 4 6 8 3 n m ，c a = 1 5 8 7 ：高温稳定态为1 3 型，体心立方晶系，a = o 3 2 8 2 n m 。 纯钛虽然是密排六方点阵结构，但它有好几个滑移面因而具有良好的塑性。纯钛强度为3 9 0 4 9 0 m p a ， 弹性模量为l l o g p a ，屈服强度在3 4 5 4 8 5 m p a 之问，延伸率为1 5 1 8 ，疲劳极限为3 1 0 m p a ，维 氏硬度为2 4 0 g p a 【”j 。由于钛的电子结构中具有不饱和壳层，使其可与大多数替换元素形成固溶体。 钛的同素异构转变与纯度有很大的关系，将合金元素加入钛以后，可改变钛的同素异构转变温度， 进而影响钛合金在室温下的相组成。 钛的密度为4 5 1 9 c m 3 ，质轻，与人骨近似。钛的密度介于铁、铝之问，相当于铁密度的5 7 。 钛的弹性模量低，只是铁的一半。钛的熔点较高导电性较差，导热系数和线膨胀系数均较低9 ”。 钛无磁性，在很强的磁场下也不会磁化，用钛制造人上骨平 | 关节植入人体内不会受雷雨天气影响。 继医片】不锈钢和钴基合金之后，由于钛的综合特性，钛系医用材料发展迅速。作为硬组织替代 材料，由丁：其比强度高，弹性模量低，有良好的综合力学性能，优于不锈钢的生物相容性和耐腐蚀 6 河北工业大学硕士学位论文 等优点p “，已成为最有发展前景的医用材料。虽然现在钛系肯im ，在整个医用金属材料领域所占的比 例还比较小( 约6 ) 1 3 5 1 , 但从发展态势看，钛系医用材料的应用呈上升趋势。 生物用钛合金应以添加无毒性元素为前提，以良好的综合性能为基础。以良好的生物相容性为 目标，更注重安全和实效。钛的合金元素分为以下三类：( 1 ) q 相稳定元素，如a 1 、c 、0 、n 等； ( 2 ) b 相稳定元素，如m o ，、v 、n b 、t a ( b 同晶元素) 和f e 、w 、c r 、s i 、n i 、c o 、m n 、h ( b 共 析元素) ；( 3 ) 对相变温度影响不大的中性元素，如z n 、s n 等。b 类钛合金通常比c i + b 类钛台金有 较低的弹性模量、高的强度和韧性，因此相比之下b 类钛合金有更优异的生物力学相容性。在金属 材料中，材料的化学成分决定材料组织，组织确定性能。为了使钛合金具有较低的弹性模量，在钛 中加入恰当的化学元素，使合金中具有的一定b 相得到进一步加强。其强化效果取决加入的元素和 钛原子半径大小差别，电子结构差别，晶体结构差别等【3 q 。新型医用低模量b 钛合金是医用钛合金 的主要发展方向。 1 - 4 - 2 钛合金的临床应用及其生物相容性 1 - 4 - 2 - 1 骨替代及修复的应用 目前钛和钛合金的临床医学应用，主要在骨科、矫形外科、牙科领域。钛及钛合金以其优良的 耐蚀性、较低的弹性模量和优越的生物相容性得到了医学界的普遍认可，这些性能有利于钛及钛 合金和人体骨骼形成牢固的界面结合，可用于制作人工关节、人工骨和假肢等各种矫形植入物。钛 合金用于替代或修补骨骼损失，新骨骼和肌肉可以在植入体上生长。目前，我国用钛及钛台金制造 的矫形植入件有以下几种3 7 1 ：人工颈椎关节、髋关节、膝关节、踝关节、肘关节、腕关节等，人工 全股骨头、人工全肱骨及全钛整体假肢。另外，钛及其合金还可广泛用于耳鼻喉科、血管外科、脐 外科、手术器械等方面。 一 钛合金在医学上的应用国外发展较早。以人工关节为例，我国从6 0 年代开始发展，比国外晚2 0 年左右。人工髋关节是我国最常用的人工假体，其次是人工膝关节置换术。7 0 年代，随着我国工业 的发展和生物材料及生物力学水平的提高，在上海、北京等地开始应用以钛为主的内锁型人工股骨 头关节p ”。8 0 年代我国开始应用铰链式人工膝关节治疗股骨或胫骨肿瘤的患者，以后陆续出现球臼 式人工膝关节及旋转式铰链关节。目前，我国的人工关节发展水平和国际水平还存在一定差距。 作为生物体用合金，对其成分元素的选择重要的是选择无毒元素，但判定是否完全无毒还很 困难，从致癌性和过敏反应的角度考虑，钛是最可靠的，还有n b 、t a 、z r 都是有利的元素，另外m o 也是良好的无毒元素。目前生物医用方面采用较多的钛合金主要为纯钛：f d t i - 6 a 1 4 v 、t i 一5 a 1 2 5 f e 和t i 一6 a 1 7 n b 合金。这些钛合金在临床应用时会析出极微量的钒或铝离子，降低了其细胞适应性 且有可能对人体造成危害，故应当开发出不含有毒元素的钛合金。目前已开发或正在研制之中的具 有低弹性模量的生体用b 型钛合金有：t i 一1 3 n b 一1 3 z r ，tj 一1 2 m o 一6 z r 一2 f e ，t i 一1 5 n b ，t i 一1 6 n b 一1 0 h f ， t i 一1 5 m o 一5 z r 一3 a 1 ，t i 一3 5 3 n b 一5 1 t a 一7 1 z r 等【4 。其中t i 一1 3 n b 一1 3 z r 合金，弹性模量约为8 0 g p a ， 接近人体硬组织的弹性模量生体相容性好且有利丁防止植入物的松弛问题，己在美国推广”“。 近来，美国和日本都致力开发进一步提高铌含量且弹性模量