超細(xì)晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制備及其理化特性和骨整合性能的研究.pdf

1、微種植體是直徑小于3.0mm的種植體，主要用于解決缺牙區(qū)近遠(yuǎn)中距離較小，或頰舌向骨量不足患者的種植修復(fù)需求。微種植體修復(fù)具有手術(shù)創(chuàng)傷小，術(shù)后不適感低等優(yōu)點(diǎn)。然而，微種植體的成功率較低，五年成功率約為83.9％-89%。其失敗的主要原因?yàn)?，純鈦微種植體的機(jī)械強(qiáng)度低，在行使咀嚼功能時(shí)，折斷風(fēng)險(xiǎn)較高；微種植體表面積小，與骨組織接觸面積小，骨結(jié)合強(qiáng)度低，造成微種植體的松動和脫落。因此，提高微種植體的機(jī)械強(qiáng)度、增加其骨接觸面積是解決微種植體臨床應(yīng)

2、用受限的關(guān)鍵問題。
　　晶粒細(xì)化能夠提高金屬材料的機(jī)械性能，等通道擠壓技術(shù)是細(xì)化晶粒的有效方法。因此，本研究使用等通道擠壓技術(shù)制備超細(xì)晶純鈦材料，對其力學(xué)性能進(jìn)行測試，通過有限元方法對微種植體的螺紋形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化增加其骨接觸面積，然后制備出優(yōu)化形態(tài)的超細(xì)晶純鈦微種植體，對其破壞強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度及耐腐蝕性能等理化性能進(jìn)行研究，最后將微種植體經(jīng)表面處理后植入兔股骨建立實(shí)驗(yàn)動物模型，對其周圍骨組織形態(tài)、骨整合性能及骨結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析，為超細(xì)

3、晶純鈦微種植體的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本研究共分為三部分：
　　第一部分超細(xì)晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備
　　1．超細(xì)晶純鈦材料的制備及力學(xué)性能測試。室溫下，對粗晶純鈦進(jìn)行四道次 BC路徑等通道擠壓處理，擠壓速度4mm/min，然后觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)并測試其力學(xué)性能。透射電鏡結(jié)果表明，本研究制備的超細(xì)晶純鈦材料的晶粒細(xì)化均勻，平均晶粒尺寸約為300nm。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，超細(xì)晶純鈦的維氏硬度由粗晶純鈦的1499MPa提高

4、為2488MPa，拉伸和壓縮屈服強(qiáng)度分別為682MPa和700MPa，較粗晶純鈦的拉伸和壓縮屈服強(qiáng)度分別提高51%和53%，同時(shí)保留了粗晶純鈦良好的延伸率和彈性模量。
　　2．超細(xì)晶純鈦微種植體形態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)及制備。使用Ansys Workbench有限元軟件對直徑2.5mm超細(xì)晶純鈦微種植體的螺紋高度和距離進(jìn)行雙變量優(yōu)化，以微種植體的表面積、周圍骨組織中的最大等效應(yīng)力以及微種植體強(qiáng)度值預(yù)判等因素確定優(yōu)化形態(tài)。研究結(jié)果表明，微種植體

5、的螺紋形態(tài)對周圍骨組織應(yīng)力及骨接觸面積具有明顯影響。當(dāng)螺紋高度為0.3mm，螺紋距離為0.67mm時(shí)，微種植體周圍皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨上的最大等效應(yīng)力值分別下降28%和33.1%，微種植體骨接觸面積增加了19%，且超細(xì)晶純鈦微種植體強(qiáng)度預(yù)估值能夠滿足臨床需求。然后，使用數(shù)控機(jī)床制備出精度符合研究要求的超細(xì)晶純鈦微種植體。
　　第二部分超細(xì)晶純鈦微種植體理化性能的研究
　　1．超細(xì)晶純鈦微種植體破壞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。按照ISO14801種植

6、體破壞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制作破壞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)裝置。在微種植體上加工鈷鉻合金冠，冠的旋轉(zhuǎn)中心與模擬骨水平面距離為11mm，載荷方向與微種植體長軸夾角為30°。研究結(jié)果表明，直徑2.5mm超細(xì)晶純鈦微種植體的破壞強(qiáng)度值為327.85±21.18N，顯著大于粗晶純鈦微種植體對照組的破壞強(qiáng)度值197.39±11.49 N，強(qiáng)度值提高66%。使用超細(xì)晶純鈦制作微種植體能夠顯著提高微種植體的機(jī)械強(qiáng)度。
　　2．超細(xì)晶純鈦微種植體疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。按照IS

7、O14801種植體疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對微種植體的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行測試，載荷施加形式為正弦曲線，最小載荷為最大載荷的10%，加載頻率為10Hz。結(jié)果表明，超細(xì)晶純鈦和粗晶純鈦微種植體載荷循環(huán)數(shù)為106次時(shí)的載荷值分別為150N和90N，超細(xì)晶純鈦微種植體的疲勞強(qiáng)度明顯優(yōu)于粗晶純鈦微種植體，其疲勞強(qiáng)度能夠滿足臨床修復(fù)要求。
　　3．超細(xì)晶純鈦微種植體材料耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)。在不同pH值和氟離子濃度下，通過電化學(xué)工作站對超細(xì)晶和粗晶純鈦的阻抗譜

8、和極化曲線等耐腐蝕性能參數(shù)進(jìn)行測試，并對腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行觀察。腐蝕電流和電位測試結(jié)果表明，在中性唾液環(huán)境隨著氟離子濃度的增加，兩種材料的耐腐蝕性能下降，超細(xì)晶與粗晶純鈦的耐腐蝕性能相似。在酸性唾液環(huán)境隨著氟離子濃度的增加，兩種材料的耐腐蝕性能下降，高氟離子濃度時(shí)，超細(xì)晶純鈦的耐腐蝕性能優(yōu)于粗晶純鈦。腐蝕形貌和產(chǎn)物分析結(jié)果表明超細(xì)晶純鈦表面的腐蝕產(chǎn)物少于粗晶純鈦。
　　4．超細(xì)晶純鈦微種植體材料表面處理后的形貌特征。按照課題組

9、優(yōu)化的噴砂酸蝕參數(shù)對超細(xì)晶和粗晶純鈦進(jìn)行表面處理。噴砂處理使用Al2O3顆粒，壓力為0.6MPa，距離10mm，時(shí)間15s；酸蝕處理使用混合酸，酸蝕溫度為80℃，時(shí)間為5min。然后使用三維形貌分析儀和掃描電鏡對其形貌特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，表面處理后的超細(xì)晶和粗晶純鈦具有噴砂形成的一級結(jié)構(gòu)和酸蝕形成的二級結(jié)構(gòu)，超細(xì)晶和粗晶純鈦表面的粗糙度Sa分別為1.67±0.18μm和1.74±0.15μm，均為適宜的種植體表面粗糙度范圍。

10、　　第三部分：超細(xì)晶純鈦微種植體骨整合性能的研究
　　1．微種植體動物模型的建立及骨結(jié)合性能分析。使用新西蘭大白兔建立微種植體動物模型，植入位點(diǎn)為富含松質(zhì)骨的股骨遠(yuǎn)心端。將經(jīng)過表面處理的超細(xì)晶純鈦微種植體植入兔股骨，術(shù)后 X線檢查結(jié)果表明，微種植體與周圍骨組織愈合良好，未見骨吸收。術(shù)后2個(gè)月取材，對包含微種植體的股骨組織進(jìn)行Micro-CT掃描，并結(jié)合骨硬組織切片VG染色，對微種植體周圍骨組織進(jìn)行形態(tài)學(xué)和組織學(xué)分析。結(jié)果表明，超細(xì)

11、晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體與粗晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的骨組織形態(tài)學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果無區(qū)別，優(yōu)于超細(xì)晶純鈦標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)微種植體。組織學(xué)結(jié)果表明，超細(xì)晶和粗晶純鈦微種植體與周圍骨組織均形成良好的骨結(jié)合。
　　2．微種植體骨結(jié)合強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。對微種植體進(jìn)行拔出強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，超細(xì)晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的拔出力（422.50±50.29N）顯著大于超細(xì)晶純鈦標(biāo)準(zhǔn)螺紋微種植體（302.50±34.09N），與粗晶純鈦優(yōu)化形態(tài)微種植體的拔出力（413.17±36.06