3D打印钛支架模型与孔隙率优化研究

3D打印仿生下颌骨皮质骨支架的制备与性能研究

3D打印可以控制支架的形状，这为我们制备各种仿生支架提供了可能。基于上述理念，我们通过3D打印技术制备了仿生下颌骨皮质骨支架。

3D打印钛支架模型建立与孔隙率分析

利用计算机软件建立3D打印钛支架模型。通过对多组同一杆径下逐渐增大其孔径的情况进行分析，我们发现当孔隙率约为80%时，支架的孔隙率与表面积增加率处于一个相对平衡的状态。控隙率超过或低于这个范围，都会对支架孔径、表面积增加率产生较大的影响，进而影响支架的生物力学性能。而80%的孔隙率也是利于细胞长入的理想孔隙率。因此，我们制备出了两种不同内部结构的多孔纯钛支架。

机械性能测试与力学适配性验证

机械性能测试验证了钛支架的多孔结构能降低钛的弹性模量。通过对比文献中记录的下颌骨皮质骨的力学性能，我们发现四组多孔钛支架虽然力学性能有差异，但均与人下颌骨具有力学适配性。

值得注意的是，下颌骨是一个由骨、牙齿、肌肉组成的复杂功能系统。因其胶原纤维的方向变化，其皮质骨的弹性模量有异向性，各个方向的数据并不一致。我们这里只是用了文献中记录的数值作为参考值，要想获得更为准确的数据，后期应对人体下颌骨皮质骨进行一个精确的测量。同时，本实验中数据量较小，仅能对多孔钛支架的力学性能提供一个参考。

微纳米孔结构制备与微弧氧化技术优势

皮质骨不仅由宏孔单元组成，还有微纳米孔单位结构组成。我们知道，3D打印技术可以制备出宏孔（>100μm）支架材料，但微纳米孔结构（<10μm）的制备依然需要借助表面处理技术。

在诸多种植体表面改性技术中，微弧氧化技术（Micro - arc Oxidation, MAO）因其具有工艺简单、效率高、制备的涂层耐磨抗腐蚀性强等特点，更因其制备的氧化钛涂层有多孔性，可在复杂的材料表面制备均匀的涂层、膜基结合好等优点而受到广泛关注。

其工作原理是，在一定强度的电压作用下，被浸泡在电解质溶液中的钛基表面氧化层会因电火花的冲击而形成多孔样结构。

微弧氧化多孔钛的生物力学特性

通过微弧氧化制备的多孔钛因其表面大量孔隙的存在，弹性模量明显降低。从生物力学的角度观察，较之纯钛，更接近骨组织的弹性模量。这不仅减少了种植体植入骨内因弹性模量差过大而出现的应力屏蔽现象，更重要的是这些孔隙结构可以引导骨组织的长入，使材料与骨组织之间形成机械锁结。

微弧氧化技术对钛表面的处理效果

微弧氧化技术可以对钛表面形貌改变的同时在其表面掺入化学成分。因此，在微弧氧化的处理过程中，钛表面不仅发生了形貌变化，还产生诸如新的元素注入或者晶相成分的变化。

研究证明，钙（Ca）、硅（Si）、锶（Sr）、镁（Mg）、锌（Zn）等离子具有调节细胞成骨诱导，促进矿化的能力。表面形貌主要包括材料表面结构的尺寸和形态等，研究表明，适宜的钛表面微纳米结构可以改变材料表面的粗糙度、润湿性、自由能等物理学性质，进而有效促进细胞的黏附、增殖和成骨分化，提高种植体在体内的生物学活性，从而达到更理想的骨整合效果。

微纳米的材料表面不仅增大了钛材料的表面积，增加了钛材料和宿主骨的接触面积，更重要的是其特殊的结构为诸如成骨细胞和骨髓间充质干细胞等提供了适宜生长的微环境。

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