3D打印仿生下頜骨皮質骨支架的制備與性能研究

3D打印可以控制支架的形狀，這為我們制備各種仿生支架提供了可能。基于上述理念，我們通過3D打印技術制備了仿生下頜骨皮質骨支架。

3D打印鈦支架模型建立與孔隙率分析

利用計算機軟件建立3D打印鈦支架模型。通過對多組同一桿徑下逐漸增大其孔徑的情況進行分析，我們發現當孔隙率約為80%時，支架的孔隙率與表面積增加率處于一個相對平衡的狀態。控隙率超過或低于這個范圍，都會對支架孔徑、表面積增加率產生較大的影響，進而影響支架的生物力學性能。而80%的孔隙率也是利于細胞長入的理想孔隙率。因此，我們制備出了兩種不同內部結構的多孔純鈦支架。

機械性能測試與力學適配性驗證

機械性能測試驗證了鈦支架的多孔結構能降低鈦的彈性模量。通過對比文獻中記錄的下頜骨皮質骨的力學性能，我們發現四組多孔鈦支架雖然力學性能有差異，但均與人下頜骨具有力學適配性。

值得注意的是，下頜骨是一個由骨、牙齒、肌肉組成的復雜功能系統。因其膠原纖維的方向變化，其皮質骨的彈性模量有異向性，各個方向的數據并不一致。我們這里只是用了文獻中記錄的數值作為參考值，要想獲得更為準確的數據，后期應對人體下頜骨皮質骨進行一個精確的測量。同時，本實驗中數據量較小，僅能對多孔鈦支架的力學性能提供一個參考。

微納米孔結構制備與微弧氧化技術優勢

皮質骨不僅由宏孔單元組成，還有微納米孔單位結構組成。我們知道，3D打印技術可以制備出宏孔（>100μm）支架材料，但微納米孔結構（<10μm）的制備依然需要借助表面處理技術。

在諸多種植體表面改性技術中，微弧氧化技術（Micro - arc Oxidation, MAO）因其具有工藝簡單、效率高、制備的涂層耐磨抗腐蝕性強等特點，更因其制備的氧化鈦涂層有多孔性，可在復雜的材料表面制備均勻的涂層、膜基結合好等優點而受到廣泛關注。

其工作原理是，在一定強度的電壓作用下，被浸泡在電解質溶液中的鈦基表面氧化層會因電火花的沖擊而形成多孔樣結構。

微弧氧化多孔鈦的生物力學特性

通過微弧氧化制備的多孔鈦因其表面大量孔隙的存在，彈性模量明顯降低。從生物力學的角度觀察，較之純鈦，更接近骨組織的彈性模量。這不僅減少了種植體植入骨內因彈性模量差過大而出現的應力屏蔽現象，更重要的是這些孔隙結構可以引導骨組織的長入，使材料與骨組織之間形成機械鎖結。

微弧氧化技術對鈦表面的處理效果

微弧氧化技術可以對鈦表面形貌改變的同時在其表面摻入化學成分。因此，在微弧氧化的處理過程中，鈦表面不僅發生了形貌變化，還產生諸如新的元素注入或者晶相成分的變化。

研究證明，鈣（Ca）、硅（Si）、鍶（Sr）、鎂（Mg）、鋅（Zn）等離子具有調節細胞成骨誘導，促進礦化的能力。表面形貌主要包括材料表面結構的尺寸和形態等，研究表明，適宜的鈦表面微納米結構可以改變材料表面的粗糙度、潤濕性、自由能等物理學性質，進而有效促進細胞的黏附、增殖和成骨分化，提高種植體在體內的生物學活性，從而達到更理想的骨整合效果。

微納米的材料表面不僅增大了鈦材料的表面積，增加了鈦材料和宿主骨的接觸面積，更重要的是其特殊的結構為諸如成骨細胞和骨髓間充質干細胞等提供了適宜生長的微環境。

上一篇：3D打印仿鳳凰螺材料交叉疊層結構修復及優化
下一篇：蜂窩貝殼自然智慧催生的應用靈感