3D打印仿生下頜骨皮質(zhì)骨支架的制備與性能研究

3D打印可以控制支架的形狀，這為我們制備各種仿生支架提供了可能。基于上述理念，我們通過3D打印技術(shù)制備了仿生下頜骨皮質(zhì)骨支架。

3D打印鈦支架模型建立與孔隙率分析

利用計算機軟件建立3D打印鈦支架模型。通過對多組同一桿徑下逐漸增大其孔徑的情況進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)孔隙率約為80%時，支架的孔隙率與表面積增加率處于一個相對平衡的狀態(tài)。控隙率超過或低于這個范圍，都會對支架孔徑、表面積增加率產(chǎn)生較大的影響，進(jìn)而影響支架的生物力學(xué)性能。而80%的孔隙率也是利于細(xì)胞長入的理想孔隙率。因此，我們制備出了兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多孔純鈦支架。

機械性能測試與力學(xué)適配性驗證

機械性能測試驗證了鈦支架的多孔結(jié)構(gòu)能降低鈦的彈性模量。通過對比文獻(xiàn)中記錄的下頜骨皮質(zhì)骨的力學(xué)性能，我們發(fā)現(xiàn)四組多孔鈦支架雖然力學(xué)性能有差異，但均與人下頜骨具有力學(xué)適配性。

值得注意的是，下頜骨是一個由骨、牙齒、肌肉組成的復(fù)雜功能系統(tǒng)。因其膠原纖維的方向變化，其皮質(zhì)骨的彈性模量有異向性，各個方向的數(shù)據(jù)并不一致。我們這里只是用了文獻(xiàn)中記錄的數(shù)值作為參考值，要想獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，后期應(yīng)對人體下頜骨皮質(zhì)骨進(jìn)行一個精確的測量。同時，本實驗中數(shù)據(jù)量較小，僅能對多孔鈦支架的力學(xué)性能提供一個參考。

微納米孔結(jié)構(gòu)制備與微弧氧化技術(shù)優(yōu)勢

皮質(zhì)骨不僅由宏孔單元組成，還有微納米孔單位結(jié)構(gòu)組成。我們知道，3D打印技術(shù)可以制備出宏孔（>100μm）支架材料，但微納米孔結(jié)構(gòu)（<10μm）的制備依然需要借助表面處理技術(shù)。

在諸多種植體表面改性技術(shù)中，微弧氧化技術(shù)（Micro - arc Oxidation, MAO）因其具有工藝簡單、效率高、制備的涂層耐磨抗腐蝕性強等特點，更因其制備的氧化鈦涂層有多孔性，可在復(fù)雜的材料表面制備均勻的涂層、膜基結(jié)合好等優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。

其工作原理是，在一定強度的電壓作用下，被浸泡在電解質(zhì)溶液中的鈦基表面氧化層會因電火花的沖擊而形成多孔樣結(jié)構(gòu)。

微弧氧化多孔鈦的生物力學(xué)特性

通過微弧氧化制備的多孔鈦因其表面大量孔隙的存在，彈性模量明顯降低。從生物力學(xué)的角度觀察，較之純鈦，更接近骨組織的彈性模量。這不僅減少了種植體植入骨內(nèi)因彈性模量差過大而出現(xiàn)的應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，更重要的是這些孔隙結(jié)構(gòu)可以引導(dǎo)骨組織的長入，使材料與骨組織之間形成機械鎖結(jié)。

微弧氧化技術(shù)對鈦表面的處理效果

微弧氧化技術(shù)可以對鈦表面形貌改變的同時在其表面摻入化學(xué)成分。因此，在微弧氧化的處理過程中，鈦表面不僅發(fā)生了形貌變化，還產(chǎn)生諸如新的元素注入或者晶相成分的變化。

研究證明，鈣（Ca）、硅（Si）、鍶（Sr）、鎂（Mg）、鋅（Zn）等離子具有調(diào)節(jié)細(xì)胞成骨誘導(dǎo)，促進(jìn)礦化的能力。表面形貌主要包括材料表面結(jié)構(gòu)的尺寸和形態(tài)等，研究表明，適宜的鈦表面微納米結(jié)構(gòu)可以改變材料表面的粗糙度、潤濕性、自由能等物理學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而有效促進(jìn)細(xì)胞的黏附、增殖和成骨分化，提高種植體在體內(nèi)的生物學(xué)活性，從而達(dá)到更理想的骨整合效果。

微納米的材料表面不僅增大了鈦材料的表面積，增加了鈦材料和宿主骨的接觸面積，更重要的是其特殊的結(jié)構(gòu)為諸如成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞等提供了適宜生長的微環(huán)境。

上一篇：3D打印仿鳳凰螺材料交叉疊層結(jié)構(gòu)修復(fù)及優(yōu)化
下一篇：蜂窩貝殼自然智慧催生的應(yīng)用靈感