多孔钛合金组织工程支架的选区激光熔化制备及性能研究

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由于创伤、疾病和人口老龄化等造成的骨缺损是常见的骨科疾病,传统自体骨、异体骨移植难以满足临床应用。近年来,具有三维贯通孔结构的骨组织工程支架已成为治疗骨缺损的有效方法。钛合金因具有低密度、高强度以及良好的生物相容性而成为极具前景的骨组织工程支架材料,通过增材制造制备多孔钛合金骨组织工程支架可用于承重部位的骨修复。然而,骨组织工程支架在植入过程中易发生细菌感染,且骨组织再生前一旦出现细菌感染,采用传统方法根除感染极其困难。因此,迫切需要开发更能满足患者个性化需求且抗菌性能良好的骨组织工程支架。本文采用选区激光熔化(SLM)技术制备不同孔隙率的多孔钛合金(Ti6Al4V)支架,深入研究了SLM工艺参数以及Ti6Al4V的显微组织。对Ti6Al4V支架进行化学抛光和热处理,研究了孔隙率对支架压缩力学性能的影响规律。在上述研究基础上,采用真空浸渍技术在Ti6Al4V支架内负载庆大霉素抗菌药物,研究庆大霉素在磷酸盐缓冲液中的释放行为。主要研究结果如下:(1)SLM成形Ti6Al4V过程中,扫描速度较低时,体能量密度过大,熔融金属的蒸发导致样品中形成匙孔;扫描速度较大时导致输入能量不足以完全熔化金属粉末,样品中出现未熔合的缺陷。优化得到的SLM工艺参数为:激光功率200 W、扫描速度1200 mm/s、扫描间距80μm、铺粉层厚30μm。显微组织分析表明,SLM成形的Ti6Al4V在样品表面(XOY面)形成了棋盘状形貌,棋盘格内部为针状α′相;沿样品沉积高度方向形成了外延生长特征的初始β相柱状晶,柱状晶内部形成了不同尺度的多级马氏体。通过后续热处理可调控Ti6Al4V的显微组织,发现750℃下形成了尺寸较小的α+β相,980℃下部分初生α相转变为等轴晶,形成了双态组织。(2)设计并制备了不同孔隙率的多孔钛合金支架,压缩性能测试结果表明,当孔隙率从33%提高至59%时,多孔钛合金支架的弹性模量和屈服强度下降,断裂应变值提高。孔隙率59%的多孔支架弹性模量为4.6 GPa,屈服强度为236MPa,断裂应变值为30.7%。然而继续提高孔隙率至83%时,多孔钛合金支架的断裂应变值急剧下降至7.5%。断口形貌分析发现,孔隙率33%和59%的多孔支架表现为韧性与脆性混合断裂模式,孔隙率83%的多孔支架表现为完全的脆性断裂。经过40 min的化学抛光可以完全去除支架内粘连的未完全熔化的粉末颗粒,且抛光处理后孔隙率59%的多孔钛合金支架的断裂应变值提高至36.1%。(3)通过真空浸渍将载有庆大霉素的壳聚糖填充至多孔钛合金支架的孔隙内,并研究了其在磷酸盐缓冲液中的释放行为。结果表明,在释放前期(0-184h),庆大霉素呈现以扩散机制主导的快速释放,在释放后期(184-496 h)庆大霉素则缓慢释放,释放速率主要取决于壳聚糖的生物降解速率。并且,孔隙率的提高有利于多孔支架内的药物释放,孔隙率83%的骨组织工程支架在496 h的药物累积释放量为96%。
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