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多孔钛支架粉末冶金生产在生物技术上的应用
粉末冶金生产多孔钛支架在生物技术上的应用
多孔钛支架将有希望应用于生物材料,如生物修复锚、填料和骨重建。
这项研究使用扫描电子显微镜(SEM),能量色散谱(艾德)评价了用粉末冶金法制备具有互联空隙的钛骨支架接口。
多孔支架和密集的标本被植入胫骨穴位,在手术后分别在第1、4、8周后被取缔。
初步观察骨新生植入后的一个星期。
骨的生成和孔隙中钙/磷比例在界面的显著提升在4、8周。
结果表明、钛支架互联空隙的促进骨的生成,随时间增长而增长。
这样的粉末冶金技术生产多孔支架被证明是有效的和密集的钛为生物技术上的应用,能够控制孔大小、孔隙度和促进骨的生成。
关键词:
生物医药,孔隙率,植入体,钛
1、简介
生物工程的主要目标是合成或再生组织和器官。
目前,这是通过提供一种人工合成的多孔支架或矩阵,模仿人体自身的细胞外基质,细胞附着到其上进行繁殖和迁移的功能。
这些多孔生物材料的骨传导性能有利于周围的植入部位骨的成骨细胞的迁移,从而协助愈合[1]。
钛被广泛用于生产牙齿或矫形外科植入物,因为骨骼和种植体表面之间发生直接接触[2]。
钛合金具有生物相容性,高耐蚀性和经久耐用等特点。
此外,它很容易形成不同的形状和纹理而不影响其生物相容性[3]。
多孔钛已通过多孔结构被用于支抗种植体,促进骨骼生长[4-7]。
此为骨生长提供了强有力的种植体-骨结合[8-11],毛孔可以为新的骨组织的附着和增殖以及相互关联的三个维度提供足够的空间,并促进体液运输[1,12]。
这些多孔结构,有许多应用,范围从脊柱内固定髋臼人工髋关节、牙种植体、永久接骨板和椎间盘[5,13]。
不过,也有不需要加工步骤来制造这些形状复杂联通孔隙的技术[1,4,17]。
因此,有几种方法被探讨,其中包括粉末冶金,因为其工艺路线和成本显得特别有利[1,4,16-18]。
在粉末冶金中,气孔可以来自密实颗粒排列或变化的排列中,并从固态扩散烧结步骤开始,间隔粒子分解时会导致孔隙率增加[19]。
目前的研究涉及在生物医学应用粉末冶金技术制备骨和一种新型多孔钛支架之间的接口,以此评估该生物材料在人体内的骨生长,骨结合和骨传导。
2、材料和方法
2.1样品制备
用粉末冶金技术制备的多孔钛和致密的钛支架。
在航空航天研究所的材料部门用氢化脱氢技术生产纯钛粉制成多孔支架。
钛粉的平均粒径为80微米左右,尿素作为衬垫材料使用大小在250至350微米之间。
钛粉和尿素粉都有不规则的形态。
稠密钛样品只用纯钛粉生产。
用钛粉和尿素粉,有80%到20%的重量比混合制备的多孔钛支架。
制备好的混合物在不锈钢模具中单轴压至100兆帕,然后等静压下压至200兆帕。
将制备好的样品在1200℃真空下烧结一小时,然后在180℃空气中保温两小时,以此来消除间隔离子。
用相同的参数来制备致密的钛样本。
烧结样品呈现出平均直径3.0mm和6.0mm的长度(图1)。
钛粉中添加尿素颗粒大小和数量控制着成品孔隙大小和分布。
图一
2.2孔隙大小和分布-金相分析
多孔钛和致密的钛支架被嵌在丙烯酸树脂和金刚石滚刀切片径向。
所有的标本进行轻度抛光使用的砂纸越来越细(600,800和1200砂砾)。
在金相制备好后,用扫描电子显微镜在100X倍率下对试样的孔隙大小、分布和连通性进行了分析(低轨435的VPI)。
使用图像处理软件对样品的孔隙率和直径进行金相分析。
2.3手术
在这项研究中使用二十一只新西兰白兔,平均年龄在5至7个月,平均体重4.5公斤。
兔子和饲养箱的圣若泽多斯坎波斯口腔医学院提供,兔子被放在单独的笼子里,用宠物食品和水任意喂养。
这项研究是通过研究伦理委员会,圣若泽多斯坎波斯牙科研究生院–UNESP(044/2002)。
在手术前,对动物进行称重,用13mg.kg-12-5.6-二氢-4H-1.3-噻嗪,和肌肉松弛的2%的盐酸混合溶液肌肉注射麻醉,与33mg.kg-1氯胺酮进行全身麻醉的比例为1:
0.85,主要目的是镇痛和镇静。
局部麻醉是由丙胺盐酸和felypressin的结合的3%octapressin组成,这在历史上也被采用过。
手术在标准的无菌条件下进行。
在三分法,剃须,消毒后,沿胫骨内侧部分纵向切口。
筋膜被分裂,植入手术进行精心准备使用电动手术钻。
三个穿孔被制成0.5cm双边相距。
在钻孔过程中,孔需要连续使用冷却用盐水。
在插入植入物之前,钻孔被灌溉用生理盐水,以此来消除所有骨碎片。
试样按照型腔融入大小,推进直到被固定在皮质骨上。
三个多孔钛支架被放置在左胫骨,三个致密的钛样品被放在右胫骨。
缝合伤口,所有的白兔被注射0.35mL.kg-1青霉素抗生素。
二十一只白兔被随机分成三组,每组七只,在手术后因注射过量麻醉剂,白兔陆续在第1、4、8周时死亡。
2.4SEM和EDX分析
在白兔死后,将含有植入胫骨段切除并立即放入10%福尔马林,脱水和嵌入聚酯树脂块。
试样在金刚石圆盘铣刀(Labcut1010EXTEC)上被连续削减到纵切面,并在抛光机磨床(Labpol8-12,EXTEC)逐步用细砂纸打磨(400,600和1200砂砾)。
然后将切片放在扫描电镜上观察。
用EDS来分析在所有时间段内死亡兔子的骨界面、旧骨组织、新骨组织、和多孔植入物,以此来确定他们的化学成分。
3.结果
3.1金相分析
致密钛样品的微观结构是没有孔隙的。
粉末冶金制备多孔钛支架展出三个维度相互关联的孔隙,(图2)。
平均孔径为480微米(±210微米),总孔隙度为36%(±2.4%)。
微观结构呈现出联通的的毛孔和少量孤立的孔隙(图3)。
图二(a)
图二(b)
图三
3.2组织评价
所有的动物在手术部位没有炎症或感染的情况,都呈现了满意的术后效果。
在术后观察过程中无明显不良反应。
对植入部位周围愈合组织的外观进行了检查,并注意到没有任何样品和其他异常的流动。
很少甚至没有在样品植入一周后对样品进行观察的,无论样品是什么类型的,都不会对最小骨骼的生长的外表面进行观察。
但是,有证据显示手术创伤反应缺损发生在再生骨组织的边缘(图四)。
在此期间,原有骨骼和样品之间有一个明显的差距。
图四
有人指出,种植体植入4周后,骨直接长入多孔钛支架(图5)和骨致密的钛样品表面相容(图6)。
骨长入,从周围长到中心(图5)进入网孔。
在此期间,所有样品,不论其微观结构,均显示交织骨新骨和已经存在的骨之间形成独特边境,其为一个正常的结构(图7)。
在一般情况下,毛孔变小,充满了骨四周(图7),而在第八个星期骨填补的毛孔却变大了(图8)。
新的骨植入8周后,骨组织沉积主要显示为层状结构,所有样本显示,众多的成骨细胞的存在缺陷和毛细。
所有样本在骨重塑的地区,在其周围和内部均有沉积和吸收的特征。
以上的样本并也被观察到新骨形成,并填补这一区域的毛孔(图5),但是骨植入界面缺乏纤维组织。
图五
图六
图七
图八
3.3EDS分析
在样本植入1周后对样本进行评估,显示骨和样本之间存在裂纹。
在这里,EDS分析显示,在种植体骨界面存在C,这是由于在样品制备时使用聚酯树脂的浸润的原因。
另一方面,在8周的四个评估的标本中,EDS分析表明钙(Ca)、磷(P)、钛是骨植入界面的主要元素(图9)。
EDS的图像显示出的能量和每个元素一一对应,其中P的能量显示k=2.015,Cak=3.69和4.012,Tik=4.508和4.931。
在新骨中观察到不同的Ca和P的强度,并且随着时间的推移比例有所增强。
图九
4.讨论
从生物学角度看,骨组织重建的理想材料是自体骨移植,因为它有良好相容性,骨诱导性,骨传导性,并且没有免疫反应。
然而,在采集充足的自体骨移植量的限制,并且将收集的自体骨用于二次手术存在缺点。
植入材料,生物材料,有提供容易和量大的优势,生物材料支架是一种很有前途的替代品[1,20]。
在本研究中,我们评估在兔体内胫骨多孔钛支架和用冶金制备的致密的钛粉末样品。
我们的研究结果表明两个钛样品都具有多孔钛种植体,支架呈现骨组织长入毛孔,随着时间的推移不断增加。
这些多孔结构,由于其与骨细胞相互作用,将有潜力作为一种生物材料植入人体系统。
多孔金属成骨生长取决于几个因素,包括表面的孔隙率,种植体与骨之间的微动的稳定性和程度,是否在骨小梁或皮质,种植体和骨界面之间存在间隙[21]。
在本研究中,紧在植入腔中加入合适的osteotomic来减少气隙和植入的微动。
种植体受到的多孔结构形态影响,骨长入的程度似乎取决于孔径[22,23]。
大多数早期的研究多孔结构的报告显示,孔隙直径100至500um[10,11,24-28],总孔隙约为40%[10,11,18,24-27]。
骨再生需要一个合适的多孔网络,以促进骨生长,并迅速和良好的植入物整合形成大量的血管。
众所周知骨生长率很大程度上取决于孔结构,孔隙连通度,孔隙体积[29],孔隙连通性是必要的骨矿化,它能促使血液和养分的吸收[22]。
另一方面,较大的孔径密度可能会削弱多孔物的植入[22]。
在这项研究中所使用的多孔钛支架有36%的孔隙率和平均孔径480微米的互连,允许营养物质进入多孔结构和形成新的骨。
我们前期发表的支架材料和多孔涂层处理结果表明,钛和间隔粉末的大小和数量都会影响产生的孔隙量和孔隙形态[30,31,32]。
不使用间隔粒子,将生产出孔隙率11%至24%,56到120um孔径的多孔涂层大型钛颗粒(500um)。
孔结构显示,毛孔和几个联通的小区域存在大部分封闭的毛孔[31]。
在本研究的延续中,使用尿素作为间隔粒子,生产钛涂料和支架,前一个是160um的平均粒径而后者的550um。
间隔粒子的数量相对钛从30到50%。
显示完整的并互联互通孔隙达到59%至88%不等[30]。
目前的工作中取得的支架,与我们先前的结果非常相似,但我们实现了互联,通过使用较少的间隔粒子(20%)和较小的钛80到300um,但孔隙率在一个较低的水平(36%)。
在两周后,兔骨损伤和生物力学适应,迅速和编织骨格达到种植体表面。
在此之后的初期,我们把在这项研究用于观察动物[33],在骨植入4周后,观察到更有序的板层骨沉积。
在第4个和第8个星期内观察到骨在骨植入接口植入并重塑毛孔。
随后,骨组织发生完全渗透,即使在最里面的毛孔,这要归功于孔连接。
多孔生物材料的一些研究发现,无论使用什么骨传导表面,兔胫骨骨愈合初期开始前两周结束[22],而骨生长在四个星期进入毛孔[22,23],骨重塑在12周结束。
在本研究中,骨愈合的过程类似于以前的研究[8,22],因为最初的愈合是在一个星期的观察,并观察到骨与层状结构的改造在4个和8个星期,确认等离子制作的多孔钛圆柱可以用来作为支架。
没有发现纤维组织植入骨界面,表明这种多孔的钛支架是足够的,以促进骨植入联通。
EDS的结果表明,随着时间的推移,Ca/P值增加,这和Braceras的研究是一致的[34]。
然而,在八个星期,Ca/P强度均小于原有骨,这表明需要较长愈合时间,才能达到理想的Ca/P率。
EDS分析还证实从植入骨界面纤维组织的情况下,因为在这里观察到的元素是钙,磷和钛。
最后,EDS分析表明多孔钛植入,主要元素是钛(在航空航天研究材料研究中心利用加氢或脱氢技术制备的钛)并描绘了其生物相容性。
用经济的原料样品,低成本的粉末冶金技术,制备多孔钛和致密的钛支架。
这项技术可以用来生产无需额外的材料的多孔钛支架,通过选择适当的间隔粒子控制孔隙率,孔径大小和形态,以确保致密的钛样品[1,14,18,27]。
此外,在此次研究中观察到的一个功能,这项技术的主要优势,它可以像一个立体的网络互联为毛孔植入作准备。
钛粉末冶金产品的准备过程中控制的另一个重要方面是它的含氧量[35];因此,所有的钛样品在真空条件下制备。
5总结
基于上述结果,可以得出结论,用粉末冶金技术生产的生物医学应用的多孔钛支架和致密的钛样品的有效证明。
这种技术允许控制多孔钛支架的孔径和孔隙率,提供优良的骨长入支架。
此外,EDS分析表明,植入后随着时间的推移Ca/P值增加,这构成骨组织的矿化的证据。
这种类型的支架可以作为移植和促进骨长入植入,植入新的发展,也可能应用于医疗领域。
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