论文部分内容阅读
[目的]检测、比较应用电子束选区熔化(EBM)及激光选区熔化(SLM)工艺制作的Ti-6A1-4V试件的理化性能和生物相容性,为3D打印钛合金的临床应用提供理论依据[方法]理化性能:应用电子束选区熔化(EBM)和激光选区熔化(SLM)工艺制备Ti-6A1-4V合金试件,以锻造试件作为对照。(1)通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、EBSD的方法观察显微组织;(2)通过XRD、EDS、XPS和GB/T4698系列方法对其进行成分分析;(3)运用接触角实验方法检测EBM和SLM试件亲水性;(4)应用维氏硬度方法检测三种试件的维氏硬度。(5)应用粗糙度仪检测EBM和SLM试件表面粗糙度;(6)应用电化学实验、浸泡实验、细胞培养液离子析出实验方法检测其耐腐蚀性。生物相容性:体外研究为EBM、SLM及锻造三者比较。体内研究为EBM与正常组织比较。(1)应用扫描电镜及细胞计数的方法观察,不同时间点骨髓基质干细胞(BMSC)在不同工艺制备的试件上粘附、增殖情况。(2)应用透射电镜的方法观察粘附在不同工艺试件上的BMSC及进行皮下植入手术52周后的比格犬肝、肾组织超微结构是否有损伤。(3)应用组织学染色及大体观察方法观察Ti-6A1-4V试件周围组织有无异常。(4)应用单细胞电泳实验(彗星实验)检测进行皮下植入手术52周后的比格犬肝、肾组织DNA是否有损伤。[结果]理化性能:显微组织观察结果表明:三种试件的显微结构均不同。锻造试件为网篮组织,EBM与SLM均为马氏体组织,大部分SLM的晶粒较EBM细小。在SLM试件中发现很多短小的位错及孪晶。在EBM试件中发现有金属间化合物析出。从表面粗糙度结果可知:EBM和SLM表面粗糙度均有利于细胞的粘附。接触角实验结果表明:EBM和SLM试件均大于65°为疏水性材料,并不是细胞粘附的最佳接触角度。扫描电镜结果提示,EBM与SLM表面形态相似,但不是最佳利于细胞粘附的表面形态。成分分析结果表明:三种试件中非金属元素C、H、O、N的含量均在正常范围内,三种试件表面成分均为α-Ti,且SLM和EBM表面均可形成氧化膜。没有观察到金属成分偏析的现象。显微硬度结果表明:三种试件硬度差别不是很明显。EBM硬度最高,与SLM及锻造试件有统计学差异(P<0.05),SLM及锻造试件之间无统计学差异(P>0.05)。电化学腐蚀实验结果表明:EBM试件的热力学稳定性劣于其他两种试件。在电极电位<1200mV时,SLM试件的耐腐蚀性最强;在电极电位>1200 mV时,EBM试件的耐腐性最强。浸泡实验结果表明,SLM试件的耐腐蚀性最强。培养液金属离子析出浓度表明:SLM试件Al、V离子的析出量最少,与电化学腐蚀实验结果相吻合。但三种试件析出Al、V离子的含量均为微克级,不足以对细胞的粘附、增殖造成影响。生物相容性:细胞计数及扫描电镜结果表明:BMSC在三种试件上的粘附、增殖能力相近,随着培养时间的延长,细胞数量增加明显,且细胞形态变化明显。透射电镜结果显示:BMSC及比格犬肝、肾组织超微结构与锻造件及正常肝肾组织无明显差别,没有发现受损伤的迹象。组织学及大体观察结果显示:试件被一层纤维组织囊所包绕,未发现炎性组织及金属颗粒。单细胞电泳实验结果表明:未发现比格犬肝肾组织DNA损伤。[结论]EBM与SLM工艺打印的钛合金试件具有良好的理化性能和生物相容性,均适合应用到体内,但有必要根据具体应用部位对其性能加以调整及改进。