本研究在已获专利技术基础上，采用表面涂层技术,通过先进的激光快速成形技术与纳米技术相结合，于医用钛合金表面激光熔覆纳米钽13，形成具有多孔纳米熔覆层结构的钛合金，实现纳米熔覆层与钛合金基体的合金化结合，并通过界面微区组织结构分析、体外细胞生物相容性研究探讨新型钛合金表面多孔纳米熔覆层的组织结构及其对界面骨整合的影响，并开发具有知识产权的、高科技含量的表面多孔纳米钽涂层钛合金骨科植入物,为进一步产业化及临床应用奠定基础。

 

本研究则分别检测了两种不同的植入物对成骨细胞增值、分化的影响。MTT细胞毒性试验结果表明纯钛合金与纳米钽-钛合金都能够很好的促进细胞增殖,但纳米钽-钛合金更为优异。随着细胞的分化,增殖能力逐渐减弱,在成骨细胞的早期分化过程中ALP是其标志性产物。在整个细胞培养的ALP检测过程中,普通钛合金都未表现出显著的促成骨细胞分化作用，而纳米钽-钛合金上细胞的ALP活性最高,且与对照组及普通钛合金相比都有显著显著性差异P<0.05)。表明通过激光熔覆技术改变钛合金的结构设计及纳米钽金属的合理应用可以获到有良好骨生物活性的材料。采用激光熔覆技术可以成功实现生物金属钽和医用钛合金的冶金结合,并使其拥有良好的表面结构和体外生物相容性,为进一步研究钽柱嵌入式钛合金的在体界面骨整合性能提供了良好的依据,为临床应用内固定材料的选择提供了理论基础。

 

钛合金(Ti6-Al4-V因其良好的生物相容性及理化特性成为目前临床应用最为广泛的植入材料,但其生物活性差、缺乏骨诱导作用，与周围组织无强有力的化学结合,不能满足临床骨结合强度高等要求。多孔钽钛(www.lh-ti.com)具有良好生物相容性及化学稳定性,其弹性模量介乎皮质骨与松质骨之间,可以促进界面骨整合,但价格高昂。界面骨整合是植入物与宿主骨之间长期稳定的骨性结合。由于钛合金与人体骨之间不能有效的骨整合,导致临床上出现植入物的松动、疲劳问题。为此对钛棒及钛合金种植材料的表面进行改进可以有效地改善其各种性能,使其具有生物活性,有望获得生物相容性更好、骨愈合更快的理想的新型种植体。用线性精密切割机广东省华南理工大学材料平台提供将其切割为规格为2.0mm^5.0mm的圆片型试件以备试验。每种试件各6个,其中新型纳米钽-钛合金试件为I组,单纯医用钛合金试件为H组,另设空白对照组。将相同尺寸的2种试件高压灭菌后备用。

 

激光熔覆制备得到的钽-钛合金棒,钛基体长：15mm、直径3.5mm两侧有对称钽槽深:1.5mm、宽：2.5mm。基体材料为医用钛合金棒（Ti6-Al4-V,5.0mm^300mm)。熔覆材料选择平均粒径为80nm的纳米级钽金属粉末(焦作伴侣纳米材料工程有限公司），向Ta金属粉末中添加质量分数为0.02%的TiH2粉末。激光熔覆6_9是指用不同的添加方式把预涂材料放置在基体表面,利用高能激光束辐照基体表面,熔覆粉末和基体形成一薄层,这_薄层迅速升温、气化和熔化并快速凝固成形,且基体对熔覆层稀释度极低,因此熔覆层与基体冶金结合良好,从而明显提高基体的硬度、耐磨性和抗氧化性等性能。

 

纳米材料由于其结构的特殊性,具有一般材料难以获得的优异性能,为钛合金激光表面改性层性能的提高提供了有力的条件。本研究将纳米钽粉体与激光表面改性技术相结合,在钛合金表面制备含有纳米钽结构的表面复合改性层,可改变钛合金表面的力学、物理和化学性能,赋予钛合金表面新的功能,达到材料表面改性与功能化相结合的目的。实验结果亦显示基本达到了本研究预期的效果,纳米Ta金属粉末和Ti合金基体之间实现了有效冶金结合,为进一步研究试样的生物性能奠定了良好的基础。在纳米Ta-Ti合金化层中还可见到明显的裂纹且裂纹均是从表面向内扩展并均有向基材发展的趋势。这与激光处理是一种快速加热和快速冷却的过程绝对相关。裂纹是目前钛合金表面改性的一个难点和重点。虽然本研究进行了很长时间的预实验,但仍无法避免裂纹的产生,说明激光参数还需要进一步的调整,并且在调整时应进行综合考虑,如将化学腐蚀等客观因素,以确保调整行之有效。