[發明專利]一種基于彈性形變的鈦金屬增強塊及其構建方法

有效

• 申請號: 201610362061.1
• 申請日: 2016-05-26
• 公開（公告）號: CN105921746B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 李慧武;朱振安;常永云;戴尅戎;曲新華
• 申請（專利權）人: 上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C25D11/26;C22F1/18;A61L27/06;A61L27/56;A61L27/50;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及醫用生物材料領域，尤其涉及一種基于彈性形變的鈦金屬增強塊及其構建方法。

背景技術

鈦金屬材料因其強度高、彈性模量低、生物相容性好而作為支架材料在臨床得到廣泛應用。為了促進骨再生，傳統對于鈦金屬增強塊的研究主要集中在支架孔徑大小、孔隙連通率控制等方面。通過控制支架孔徑大小和孔隙率可以調整鈦金屬增強塊的強度和彈性模量，有利于骨組織的長入，促進鈦金屬和骨界面整合，但具體支架孔徑大小和孔隙率的多少最有利于骨組織的長入，目前尚無統一的標準，鈦金屬和骨界面整合效果不確切。

此外，鈦金屬及合金的不同構型和成分會明顯改變其彈性模量。目前市場上α型鈦合金(純鈦系列等)和α+β型兩相鈦合金(Ti6Al4V、Ti6Al7Nb等)的彈性模量為105-110GPa與骨組織1-30GPa相比仍有較大差距，而新型介穩定β型(包括亞穩定β型和近β型兩種類型)鈦合金是一類容易達到低模量化、高強韌性及高抗疲勞斷裂等力學性能并具有良好生物及力學相容性的金屬，并且通過后期加工和熱處理調整其顯微組織和微觀結構，可進一步使材料的強度、韌性、彈性模量、耐磨性、耐蝕性及疲勞等性能得到大幅調整和改善。

目前尚未見利用鈦金屬物理形變促進骨組織再生的增強塊構建。研究已證明鈦金屬在適當應力刺激下會發生非線性彈性形變，這種形變受金屬的彈性模量等物理要素的影響，在負重行走或彈跳等過程中，循環往復的應力會導致鈦金屬支架產生極其細微的彈性形變。研究已經證實，在對鈦及其合金進行多孔化處理中可以通過改變孔隙率、孔徑大小及支柱直徑等參數調整其強度和彈性模量。另外，鈦金屬單元格的幾何構型、鈦金屬表面微觀形貌同樣對支架的彈性模量、彈性性能以及表面干細胞分化發揮重要作用。目前鈦支架制作中單元格的幾何構型常采用立方體、多面體(如六面體、十二面體等)、金剛石型、仿骨小梁型及G7等?，F我們自行設計紡錘形單元格結構，與立方體、十二面體和G7結構相比，紡錘形結構的支架彈性模量更低，延展性更好、彈性形變量更高。

成骨細胞及干細胞是力學信號敏感或響應細胞，研究證明在細胞與基底間的各種力學信號可通過干細胞表面受體激活特定的力轉導途徑進而調節干細胞的分化，即使在缺乏生物化學刺激的情況下力學因素也能單獨調控干細胞自我更新和譜系分化。干細胞對基底硬度、表面納米尺度粗糙度變化的響應非常敏感，研究表明干細胞在質地硬及表面粗糙度高的基底表面更傾向于向成骨細胞分化。鈦金屬彈性模量接近皮質骨，通過調整陽極氧化工藝參數，可以在鈦金屬增強塊表面制作誘發干細胞分化的最佳納米坑、納米管形貌。采用有機溶液(醇基氧化介質)對不同成分的鈦金屬增強塊進行陽極氧化，可以制備出大面積均勻生長的、長度和直徑可控的、具有良好生物學特性的納米坑及納米管陣列的表面微形貌。在納米坑表面，細胞形變量最小，隨著納米管高度的增加，其表面的細胞形變量也會逐漸增加，即可以通過納米管高度放大鈦金屬形變產生的力學信號，從而更有利于促進誘導干細胞分化。

傳統對于鈦金屬增強塊的研究主要集中在支架孔徑大小、孔隙連通率控制等方面。但具體支架孔徑大小和孔隙率的多少最有利于骨組織的長入，目前尚無統一的標準，鈦金屬和骨界面整合效果不確切。另外，鈦金屬微量彈性形變引發的力學信號可以影響其表面細胞成骨分化，既往鈦金屬增強塊沒有考慮到鈦金屬增強塊的彈性形變可以影響其表面的干細胞的成骨分化，進而促進鈦金屬和骨界面的整合。

因此，本領域的技術人員致力于開發一種基于彈性形變的鈦金屬增強塊及其構建方法，即構建一種內部結構新型的鈦金屬增強塊，與既往增強塊相比，更容易發生彈性形變，利用鈦金屬微量彈性形變引發的力學信號對其表面細胞成骨分化的影響達到促進金屬-骨界面整合的目的。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是如何促進鈦金屬和骨組織界面整合以及如何利用鈦金屬彈性形變促進骨再生。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于彈性形變的鈦金屬增強塊，所述鈦金屬增強塊具有紡錘形結構，所述紡錘形結構具有多個小梁，所述小梁間具有空隙。

進一步地，所述紡錘形結構具有四個小梁。

進一步地，所述小梁直徑為200～500微米。

進一步地，所述空隙大小為200～700微米。

進一步地，所述鈦金屬增強塊的壓縮強度為10～300MPa，彈性模量為0.5～15GPa。

本發明還提供了一種基于彈性形變的鈦金屬增強塊的構建方法，包含以下步驟：