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《第四军医大学》 2017年
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超细晶纯钛微种植体形态优化设计与制备及其理化特性和骨整合性能的研究

吴玉禄  
【摘要】:微种植体是直径小于3.0mm的种植体,主要用于解决缺牙区近远中距离较小,或颊舌向骨量不足患者的种植修复需求。微种植体修复具有手术创伤小,术后不适感低等优点。然而,微种植体的成功率较低,五年成功率约为83.9%-89%。其失败的主要原因为,纯钛微种植体的机械强度低,在行使咀嚼功能时,折断风险较高;微种植体表面积小,与骨组织接触面积小,骨结合强度低,造成微种植体的松动和脱落。因此,提高微种植体的机械强度、增加其骨接触面积是解决微种植体临床应用受限的关键问题。晶粒细化能够提高金属材料的机械性能,等通道挤压技术是细化晶粒的有效方法。因此,本研究使用等通道挤压技术制备超细晶纯钛材料,对其力学性能进行测试,通过有限元方法对微种植体的螺纹形态进行优化增加其骨接触面积,然后制备出优化形态的超细晶纯钛微种植体,对其破坏强度、疲劳强度及耐腐蚀性能等理化性能进行研究,最后将微种植体经表面处理后植入兔股骨建立实验动物模型,对其周围骨组织形态、骨整合性能及骨结合强度进行分析,为超细晶纯钛微种植体的临床应用奠定基础。本研究共分为三部分:第一部分:超细晶纯钛微种植体形态优化设计及制备1.超细晶纯钛材料的制备及力学性能测试室温下,对粗晶纯钛进行四道次BC路径等通道挤压处理,挤压速度4mm/min,然后观察其微观组织结构并测试其力学性能。透射电镜结果表明,本研究制备的超细晶纯钛材料的晶粒细化均匀,平均晶粒尺寸约为300nm。力学性能测试结果表明,超细晶纯钛的维氏硬度由粗晶纯钛的1499MPa提高为2488MPa,拉伸和压缩屈服强度分别为682MPa和700MPa,较粗晶纯钛的拉伸和压缩屈服强度分别提高51%和53%,同时保留了粗晶纯钛良好的延伸率和弹性模量。2.超细晶纯钛微种植体形态优化设计及制备使用Ansys Workbench有限元软件对直径2.5mm超细晶纯钛微种植体的螺纹高度和距离进行双变量优化,以微种植体的表面积、周围骨组织中的最大等效应力以及微种植体强度值预判等因素确定优化形态。研究结果表明,微种植体的螺纹形态对周围骨组织应力及骨接触面积具有明显影响。当螺纹高度为0.3mm,螺纹距离为0.67mm时,微种植体周围皮质骨和松质骨上的最大等效应力值分别下降28%和33.1%,微种植体骨接触面积增加了19%,且超细晶纯钛微种植体强度预估值能够满足临床需求。然后,使用数控机床制备出精度符合研究要求的超细晶纯钛微种植体。第二部分:超细晶纯钛微种植体理化性能的研究1.超细晶纯钛微种植体破坏强度实验按照ISO14801种植体破坏强度实验标准,制作破坏强度实验装置。在微种植体上加工钴铬合金冠,冠的旋转中心与模拟骨水平面距离为11mm,载荷方向与微种植体长轴夹角为30°。研究结果表明,直径2.5mm超细晶纯钛微种植体的破坏强度值为327.85±21.18N,显著大于粗晶纯钛微种植体对照组的破坏强度值197.39±11.49N,强度值提高66%。使用超细晶纯钛制作微种植体能够显著提高微种植体的机械强度。2.超细晶纯钛微种植体疲劳强度实验按照ISO14801种植体疲劳强度实验标准,对微种植体的疲劳强度进行测试,载荷施加形式为正弦曲线,最小载荷为最大载荷的10%,加载频率为10Hz。结果表明,超细晶纯钛和粗晶纯钛微种植体载荷循环数为106次时的载荷值分别为150N和90N,超细晶纯钛微种植体的疲劳强度明显优于粗晶纯钛微种植体,其疲劳强度能够满足临床修复要求。3.超细晶纯钛微种植体材料耐腐蚀性能实验在不同p H值和氟离子浓度下,通过电化学工作站对超细晶和粗晶纯钛的阻抗谱和极化曲线等耐腐蚀性能参数进行测试,并对腐蚀形貌和腐蚀产物进行观察。腐蚀电流和电位测试结果表明,在中性唾液环境随着氟离子浓度的增加,两种材料的耐腐蚀性能下降,超细晶与粗晶纯钛的耐腐蚀性能相似。在酸性唾液环境随着氟离子浓度的增加,两种材料的耐腐蚀性能下降,高氟离子浓度时,超细晶纯钛的耐腐蚀性能优于粗晶纯钛。腐蚀形貌和产物分析结果表明超细晶纯钛表面的腐蚀产物少于粗晶纯钛。4.超细晶纯钛微种植体材料表面处理后的形貌特征按照课题组优化的喷砂酸蚀参数对超细晶和粗晶纯钛进行表面处理。喷砂处理使用Al2O3颗粒,压力为0.6MPa,距离10mm,时间15s;酸蚀处理使用混合酸,酸蚀温度为80℃,时间为5min。然后使用三维形貌分析仪和扫描电镜对其形貌特征进行分析。结果表明,表面处理后的超细晶和粗晶纯钛具有喷砂形成的一级结构和酸蚀形成的二级结构,超细晶和粗晶纯钛表面的粗糙度Sa分别为1.67±0.18μm和1.74±0.15μm,均为适宜的种植体表面粗糙度范围。第三部分:超细晶纯钛微种植体骨整合性能的研究1.微种植体动物模型的建立及骨结合性能分析使用新西兰大白兔建立微种植体动物模型,植入位点为富含松质骨的股骨远心端。将经过表面处理的超细晶纯钛微种植体植入兔股骨,术后X线检查结果表明,微种植体与周围骨组织愈合良好,未见骨吸收。术后2个月取材,对包含微种植体的股骨组织进行Micro-CT扫描,并结合骨硬组织切片VG染色,对微种植体周围骨组织进行形态学和组织学分析。结果表明,超细晶纯钛优化形态微种植体与粗晶纯钛优化形态微种植体的骨组织形态学统计结果无区别,优于超细晶纯钛标准形态微种植体。组织学结果表明,超细晶和粗晶纯钛微种植体与周围骨组织均形成良好的骨结合。2.微种植体骨结合强度实验对微种植体进行拔出强度实验,超细晶纯钛优化形态微种植体的拔出力(422.50±50.29N)显著大于超细晶纯钛标准螺纹微种植体(302.50±34.09N),与粗晶纯钛优化形态微种植体的拔出力(413.17±36.06N)无统计学差异。研究结果表明,形态优化后微种植体的骨结合强度显著提高。
【学位授予单位】:第四军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R783.1

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