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钛及钛合金由于生物相容性良好,同时弹性模量较低,是目前广泛使用的人体植入材料。根据结构的不同,可以将其分为实体钛和多孔钛。实体钛的弹性模量高于人体骨骼,植入后容易产生“应力屏蔽”效应。而多孔钛的弹性模量较低,可以减少“应力屏蔽效应”,同时相互贯通的多孔结构有利于人体骨细胞在其中的生长。传统的粉末烧结法得到的多孔钛脆性较高,不利于在体内使用。近年来开发出的一种缠绕型多孔钛克服了上述不足,然而在其缠绕结构中,钛丝与钛丝之间为简单的相互搭接,在很小的外力作用下就可以产生相对滑移,这导致其弹性模量和屈服强度均低于传统烧结法制备的多孔钛。通过固定钛丝间自由结点来强化其多孔结构是一个可行的方法。 本文通过采用双酚 A甲基丙烯酸缩水甘油酯(BisGMA)固定钛丝间结点,制备得到了BisGMA增强缠绕型多孔钛材料,与缠绕型多孔钛相比,其弹性模量不仅得到极大提高,同时其相互贯通的多孔结构保持不变。并系统研究了不同工艺参数(BisGMA含量、钛丝丝径、初始孔隙率)对BisGMA增强缠绕型多孔钛的结构及性能的影响。 通过对 BisGMA增强缠绕型多孔钛的结构分析发现,由于BisGMA仅涂覆在钛丝间的结点附近,因此自由结点被固定,同时材料仍然保持多孔的缠绕结构。材料在横纵截面上形貌不同,表现出明显的各向异性。在其他条件相同时,纵截面上的平均孔隙大小小于横截面,同时大孔所占的比例也相对较小。BisGMA含量的增加、钛丝丝径的减小以及初始孔隙率的减小都会导致样品孔隙数量、孔径尺寸及孔隙连通率的减少。 BisGMA增强缠绕型多孔钛的压缩应力-应变曲线与大多数多孔金属材料类似,具有三阶段应力-应变响应行为,即线弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。不同之处在于其线弹性阶段是一条曲线; BisGMA含量较低时其应力-应变曲线上没有明显的屈服点;平台阶段其应力仍然增加,因此是一个伪平台。BisGMA含量为0-20%时,材料的压缩弹性模量和屈服强度分别为0.2-1.3GPa、7.29-53MPa,与人体疏质骨相匹配,并随BisGMA含量的增加而增大;随着钛丝丝径及初始孔隙率的增加,材料的压缩力学性能降低。 而在准静态拉伸载荷作用下,BisGMA增强缠绕型多孔钛的应力-应变曲线与其他多孔金属的单阶段或两阶段变形不同,为特殊的三阶段应力-应变响应行为:伪线弹性阶段、伪平台阶段以及松散化阶段。同时其拉伸应变量超过80%,远高于其它多孔金属材料。随着BisGMA含量的增加或钛丝丝径的减小,其拉伸弹性模量和屈服强度均随之增加,如BisGMA含量为0%时,弹性模量和屈服强度分别为0.05GPa和1.8MPa,当BisGMA含量增加到5%时,弹性模量和屈服强度分别提高到0.67GPa和2.7MPa。 压缩应变量相同时,样品的能量吸收能力随BisGMA含量的增加而增加,而随钛丝丝径或初始孔隙率的增加而减小;而BisGMA含量相同时,样品的能量吸收能力随着应变量的增大而增大,钛丝丝径相同或初始孔隙率相同时吸能行为的变化与之相同。在拉伸载荷下,样品表现出明显的负泊松比效应,通过观察及查阅相关文献提出了拉胀模型,其具有内凹结构及固定交联结点这两方面特点。而模拟体液实验表明,BisGMA增强缠绕型多孔钛具有良好的耐腐蚀性能,同时是一种生物惰性材料,因此有望成为一种潜在的医用承力植入材料。