钛合金表面生物压电陶瓷涂层的构建及其在生理载荷下压电效应促进骨修复机理研究

Titanium implants such as bone joint prosthesis stem and spine screws are required to combined with bone stability when early implantation. The common approach for the requirement is fabricated calcium phosphate coating on the surface of titanium alloy to improve its biological activity. However, the new bone growth cycle is still very long for that coating and not conducive to the recovery of patients after surgery. It is great significance that how to promote bone growth for orthopedics repair. This project proposes fabricating rare earth elements doped biological piezoelectric ceramic coating on the surface of titanium alloy. Bone repair time will be shorten by promoting growth of bone cells combined the induction of biomaterials and the stimulation of piezoelectric materials. Effects of processes on mechanical properties and piezoelectric properties of biological piezoelectric ceramic coatings are researched. Load conditions of the human bone are simulated to apply the periodic physiological load on the coating during the cell co-culture and animal experiments. Mechanisms of piezoelectric effect on the proliferation and mineralization of osteoblasts under the physiological load are explained. Promotion mechanisms of composition and micro-structure of rare-earth doped biological piezoelectric ceramic coating on its bone regeneration are revealed. It is provide basic data for optimal design and clinical research of surface modified titanium alloy implants.

关节假体骨柄、脊柱螺钉等钛合金植入物在植入早期就要求与骨稳定结合。目前较好的办法是在其表面制备钙磷盐类涂层提高其生物活性，但是该涂层诱导新骨生长的周期很长，不利于患者术后早期活动，所以加快新骨生长速度、提高植入物与骨之间的稳定性对于骨科临床修复具有重要的意义。由于人体骨也是一种压电材料，受力后产生的生物电对骨细胞的生长有显著的影响作用，因此本项目提出在钛合金表面构建稀土掺杂的生物压电陶瓷涂层，利用生物相的诱导作用和压电相的刺激作用同时促进骨细胞生长，从而缩短骨修复的时间。系统研究制备工艺对钛合金表面生物压电涂层力学性能和压电性能的影响，并模拟人体骨骼受力情况在与细胞共培养及动物实验时给予涂层周期性的生理载荷，阐明压电效应对成骨细胞增殖、矿化等环节的作用机理，以及稀土掺杂生物压电陶瓷涂层的组分比例与微观结构对骨修复的促进机制，为表面改性钛合金植入体的优化设计和临床研究提供基础数据。

关节假体骨柄、脊柱螺钉等钛合金植入物在植入早期就要求与骨稳定结合。目前较好的办法是在其表面制备钙磷盐类涂层提高其生物活性，但是该涂层诱导新骨生长的周期很长，不利于患者术后早期活动，所以加快新骨生长速度、提高植入物与骨之间的稳定性对于骨科临床修复具有重要的意义。由于人体骨也是一种压电材料，受力后产生的生物电对骨细胞的生长有显著的影响，因此本项目提出在钛合金表面构建生物压电陶瓷涂层，利用生物相的诱导作用和压电相的刺激作用同时促进骨细胞生长，从而缩短骨修复的时间。项目取得以下研究成果：构建了以BaTiO3/HA为代表的生物压电复合材料，研究了其组分比例、压电系数等对骨细胞生长的影响规律，并探索了稀土元素掺杂对其压电性能以及促进骨细胞生长的作用机制；在医用钛合金表面通过微弧氧化和阳极氧化并结合原位反应等构建了生物压电涂层，研究了制备工艺对钛合金表面生物压电涂层力学性能和压电性能的影响，并模拟人体骨骼受力情况在体外模拟试验时给予涂层周期性的生理载荷，阐明压电效应对涂层表面钙离子定向沉积矿化以及骨细胞生长的促进机理；对钛合金表面的生物压电涂层进行了功能化处理，使其获得抗菌性能，研究了其压电抗菌效果并揭示了其长效抗菌作用机制；进行了在体生物试验，揭示了压电效应对细胞增殖活性和成骨活性的作用机理，并评价了其修复效果并阐明生理载荷作用下压电效应的骨诱导作用机制。此外，还在镁合金表面生物压电涂层以及具有压电特性生物骨水泥方面开展了探索性研究，为高性能植入体材料的优化设计和临床研究提供理论依据。