用于生物医学应用的可调机械性能与生物活性金属支架的制备

摘要

通过一种包含两个步骤的方法制备了具有生物活性且机械性能可靠的金属支架：首先采用动态冷冻铸造法制备多孔钛，然后对钛支架进行涂层和致密化处理。该致密化过程简单、高效，并可适用于制备功能梯度支架。

摘要

生物金属系统已广泛应用于生物医学领域，尤其是作为承重材料。然而，金属材料面临的主要挑战是刚度过高以及生物活性较低。在本研究中，我们开发了一种新方法，用于制备新型的具有生物活性且机械性能可靠的多孔金属支架——致密化多孔钛（Ti）支架。该方法包含两个制备步骤：1）通过动态冷冻铸造法制备多孔钛支架；2）对多孔支架进行涂层和致密化处理。用于制备多孔钛支架的动态冷冻铸造法，能够通过最小化化学污染和结构缺陷，实现多孔支架的致密化。该致密化过程具有三个显著特点。首先，该过程操作简便，仅需控制一个参数（致密化程度）。其次，该过程高效，可实现机械性能的增强，并实现生物分子从多孔支架中的可持续释放。第三，该方法具有广泛的应用前景，因为在致密化过程中通过施加空间变化的应变，还可用于制备功能梯度多孔支架。

引言

尽管金属生物材料因其优异的机械强度和弹性而被广泛用作承重植入物和内固定装置^1-3，但仍面临两个关键挑战：1）力学性能不匹配，因为金属远比生物组织刚硬，容易对周围组织造成不良损伤；2）生物活性较低，常导致与生物组织界面结合不良，并引发异物反应（例如，炎症或血栓形成）^4-6。多孔金属支架已被提出用于促进骨组织长入结构内部，在提高骨-植入物接触的同时，因其刚度降低而减轻应力屏蔽效应^7-9。此外，已采用多种表面改性方法来增强金属植入物的生物活性，包括在金属表面涂覆生物活性分子（例如，生长因子）或药物（例如，万古霉素、四环素）^10-12。然而，多孔金属支架机械性能下降、刚度降低以及生物活性涂层快速释放等问题仍未得到解决^13-16。

特别是，钛（Ti）及其合金由于具有优异的机械性能、化学稳定性和良好的生物相容性，已成为最受欢迎的生物金属体系之一。^13,17-19 其泡沫状应用也引起了越来越多的关注，因为三维多孔结构不仅具有类似骨组织的力学性能，还能促进骨组织长入。^20-22 已通过开发新的制造技术来改善材料的力学性能，这些技术包括聚合物海绵复制法、金属颗粒烧结法、快速成型（RP）法以及造孔剂法，以调控孔隙的多种特征（例如，孔隙率、形状、尺寸、分布和连通性）以及材料特....

方案

1. 多孔金属支架的制备

1. 根据表1中所述，称取适量市售Ti粉末、莰烯和KD-4，制备Ti-莰烯浆料，用于制备具有四种初始孔隙率（40、50、60和70）的多孔Ti支架。将浆料倒入500 ml聚乙烯（PE）瓶中，在球磨炉中以30 rpm转速、55 °C条件下旋转30 min。
2. 将PE瓶中的浆料倒入直径60 mm、高60 mm的圆柱形铝（Al）模具中。用相应的Al盖片密封每个Al模具，并在球磨炉中以30 rpm转速、55 °C条件下旋转10 min。
   1. 随后，将球磨炉温度降至44 °C，并在恒定温度44 °C下以30 rpm转速持续旋转12 hr。
3. 在球磨炉中继续于室温（RT）旋转1 hr以完成冷却过程后，取出模具。使用Al冲头从Al模具中取出固化的钛/莰烯生坯。
4. 手动将固化的钛/莰烯生坯放入橡胶袋中，并用绳子扎紧袋口完全密封。将橡胶袋置于冷等静压（CIP）机的水箱中，施加200 MPa的等静压持续10 min。从橡胶袋中取出压缩后的生坯。
5. 手动将Ti-莰烯生坯转移至氧化铝坩埚中，并将坩埚放入冷冻干燥机。在-40 °C条件下冷冻干燥24 hr，以使生坯中的莰烯相升华。
6. 随后，用氧化铝盖片封闭坩埚，并将封闭的坩埚置于室温下的真空炉（低于10^-6 Torr）中。然后以5 °C/min的升温速率将炉温升至1,300....

结果

用于制备多孔钛支架的制造工艺如图1A所示。将钛粉在44 °C下持续旋转容器12小时，使其在樟脑中均匀分散；在此过程中，当液态樟脑完全固化时，相对较重的钛粉沉降可降至最低。因此，采用动态冷冻铸造工艺制备出均匀的钛-樟脑生坯，如图1B所示，其中三维相互连通的大尺寸樟脑孔隙被钛粉相包围（图1C）。然而，容器旋转不当常导致生坯中钛相与樟脑相分布不均，从而在热处理后引起多孔支架的变形或开裂。经研究发现，最佳旋转速度为30 rpm，在大多数情况下均可制得均匀的生坯。在进行热处理之前，需通过观察钛-樟脑生坯的横截面（如图1C所示）来确认樟脑的充分生长。若樟脑相不连续且孔隙尺寸分布显著，则需重新设定动态冷冻铸造的温度和时间。通常情况下，经过12小时的动态冷冻铸造后，钛-樟脑生坯中的樟脑相发育良好，此时大尺寸球形孔隙相互接触，形成连续结构。多孔钛材料中孔隙的尺寸、形貌及连通性在热处理后进一步通过显微CT分析进行评估。

在1,300 °C烧结后，多孔钛块通过电火花加工.......

讨论

尽管生物金属系统已广泛应用于生物医学领域，特别是作为承重材料，但金属的高刚度和低生物活性一直被视为主要挑战。在本研究中，我们建立了一种新型金属系统的制备方法，即致密化多孔金属支架，该支架具有仿生的力学性能以及可实现生物分子持续释放的生物活性表面。我们制备方法的主要优势包括：1）无需改变此前已开发的动态冷冻铸造法²⁸；2）仅通过调控一个参数——致密化程度，即可实现多孔金属支架的力学性能增强及生物分子的持续释放行为；3）可拓展应用于功能梯度材料。

制备致密化多孔金属的关键步骤之一是制造具有两种重要特性的多孔钛：1）具备延展性，以调控生物活性分子的释放速率和材料的力学性能；2）具有高孔隙连通性，以实现生物分子的有效负载与释放。然而，以往采用造孔剂法、海绵模板法和粉末冶金法制备的多孔钛支架，往往表现出孔隙连通性不足或延展性较差的问题^14,24,29。特别是，在热处理过程中，金属粉末与其他周围材料发生反应所产生的杂质会显著降低材料的延展性，这是因为金属粉末与第二相材料（例如，造孔剂或聚合物模板）直接接触，导致材料在力学测试中发生脆.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
钛粉	Alfa Aesar	#42624	-325目，99.5%（以金属为基础）
樟脑烯	SigmaAldrich	#456055	95%，C10H16
KD-4	Croda	­	Hypermer，聚合物分散剂
磷酸盐缓冲液（PBS）	Welgene	ML 008-01	­
绿色荧光蛋白（GFP）	Genoss Co.	-	>98%纯度，1 mg/mL
球磨炉	SAMHENUG ENERGY	SH-BDO150	­
冷冻干燥机	Ilshin Lab.	PVTFD50A	­
冷等静压机（CIP）	SONGWON SYSTEMS	CIP 42260	­
真空炉	JEONG MIN INDUSTRIAL	JM-HP20	­
电火花加工机	FANUC robocut	0iB	外部使用
压力机	CG&S	AJP-200	­
共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）	Olympus	FluoView FV1000	外部使用