摘要
钛(Ti)及其合金具有优异的生物相容性、力学性能和抗腐蚀性能以及低弹性模量，被广泛用于骨、牙等硬组织的修复和替换。近年来，增材制造(AM)技术不断进步，在单件定制化生产、复杂造型的实现以及加工周期等方面的优势愈加明显，展现了在生物医疗领域的广阔前景。然而，由于Ti存在生物惰性，与骨组织的结合能力较差，易发生松动以及周围组织发炎等问题。Ti植入体内后，其表面首先与植入环境中的组织细胞发生直接作用，因此，材料的表面特性与其生物学效应有重要关系。本文针对AM植入体的表面改性问题，通过在材料表面构建微粗糙与纳米管复合的微纳米多级结构，以增强其生物相容性和成骨性能。 首先，研究了阳极氧化参数对Ti表面TiO2纳米管阵列结构的影响。通过采用不同的电解液、电压以及热处理工艺，研究纳米管形貌、尺寸以及晶型的变化规律，为后续实验选择更优的阳极氧化工艺参数。结果表明，在NH4F-乙二醇电解体系中，Ti表面形成的纳米管结构更紧密，管的直径与电压呈正相关。经过热处理后，表面形貌无明显改变，TiO2晶型由无定形结构转变为更有利于生物活性的锐钛矿型。 然后，研究了纯Ti表面的微纳米结构构建及对成骨细胞的影响。采用喷砂、酸蚀方法在Ti表面构建了微粗糙的沟壑状基底结构，对此基底进行阳极氧化，以构建具有TiO2纳米管阵列的微纳米双级结构。通过表面表征和体外细胞实验，研究了该表面结构对生物相容性和成骨行为的影响。结果表明，该结构提高了材料的亲水性和生物活性，同时促进了细胞的铺展、增殖和分化，验证了微纳结构对于成骨细胞行为的调控作用。 其次，在AM成型TC4表面进行微纳米多级结构的构建及体外细胞实验。通过电子束熔融(EBM)技术制备TC4片，采用酸蚀处理方法去除材料表面的残余粉末，裸露表面原生微米结构，同时蚀刻出微米及亚微米级凹坑和沟槽。经过进一步阳极氧化处理，成功构建了具有微米垄沟-亚微米坑槽-纳米管的多级复合结构。结果表明，该微纳米多级复合结构增强了材料的亲水性和生物活性，并且促进了细胞的粘附、增殖和各期分化。 最后，研究AM植入体的体内成骨性能。提出一种针对EBM成型植入体的超声酸蚀+阳极氧化复合处理方法，对TC4棒进行表面改性以构建微纳多级结构，并植入SD大鼠股骨内，通过Micro-CT和组织学染色分析，研究Ti棒周围新生骨骨量以及与骨组织之间的界面结合能力。结果表明，EBM成型后的Ti棒表面具有比Ti片更加明显的残余粉末粘结。酸蚀后，粉末残留被去除干净，并留下沟槽状的腐蚀纹路。大鼠股骨植入实验表明，微纳改性后的Ti棒周围新生骨量明显增多，与骨组织结合更加紧密，表明具备良好的成骨性能。
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