【摘 要】
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目前,临床上主要是通过内固定的方法实现对骨折疾病的治疗。Ti6Al4V是当前内固定接骨板的主要材料,得益于其良好的生物力学性能和组织相容性,且能够满足临床需求。但是Ti6Al4V作为医用接骨板材料在人体环境下易被磨损,缺乏生物活性,不利于骨折患处的愈合。因此,制备一种性能优异且具备抗感染能力的内固定材料成为目前研究的热点。众多研究学者对Ti6Al4V接骨板采用不同方式进行了表面改性。其中,阳极氧化
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目前,临床上主要是通过内固定的方法实现对骨折疾病的治疗。Ti6Al4V是当前内固定接骨板的主要材料,得益于其良好的生物力学性能和组织相容性,且能够满足临床需求。但是Ti6Al4V作为医用接骨板材料在人体环境下易被磨损,缺乏生物活性,不利于骨折患处的愈合。因此,制备一种性能优异且具备抗感染能力的内固定材料成为目前研究的热点。众多研究学者对Ti6Al4V接骨板采用不同方式进行了表面改性。其中,阳极氧化法在医用Ti6Al4V接骨板表面制备Ti O2纳米管层,其以操作简单、涂层结构可控等优势被广泛应用。然而,阳极氧化法制备的Ti O2纳米管与Ti6Al4V基体的附着力较低,在人体内服役过程中容易脱落失效。因此,如何提高基体与纳米管涂层间的附着力,实现对其微观结构的调控成为重点研究内容。本文采用Ti6Al4V接骨板为研究对象,通过激光喷丸强化法对Ti6Al4V骨板表面进行改性,并在改性后的表面采用阳极氧化法制备Ti O2纳米管层对其改性调控机理进行研究,通过摩擦磨损试验分析改性后的摩擦学特性。此外,通过有限元分析法对改性后的接骨板材料进行仿真分析,以验证其实际应用性能,并采用电泳沉积法在改性接骨板表面负载药物,制备出性能优异且具有抗感染作用的新型接骨板。本文的主要研究内容如下:(1)激光喷丸强化表面通过阳极氧化法制备的Ti O2纳米管的管径、管长和壁厚增加,排列均匀且致密,整体形貌更好。相比于基体表面,改性表面的纳米管层粗糙度值增大,接触角减小,有助于细胞的增殖和粘附。激光喷丸强化试样表面晶粒细化程度较高,并且纳米晶体具有更多的随机晶体取向,晶粒细化使得表面硬度得到提升。改性表面Ti O2纳米管层的附着力增强,使得纳米管层抵抗破坏的性能增强,有利于其在接骨板上的长期发挥作用。(2)激光喷丸强化表面制备的纳米管形貌与结构的改变与其形成机制有关。一方面由于激光喷丸强化表面残余压应力增加,在阳极氧化过程中部分应力释放,加剧表面应力的不均匀分布,诱发Ti O2纳米管形成;另一方面激光喷丸强化表面晶界增加,制备过程中在晶界方向上会促进Ti O2纳米管生长。(3)激光喷丸强化表面Ti O2纳米管层的摩擦系数和磨损量最小,磨损形貌整体较好,其磨损机理为磨粒磨损,疲劳磨损和粘着磨损同时存在的混合磨损,表现出较好的耐磨损性能。Ti O2纳米管层负载聚维酮碘后表面的耐磨损性能得到进一步改善,这是因为聚维酮碘的存在一方面可以改善表面的亲水性,另一方面可以提高表面耐腐蚀的能力,其磨损机理为磨粒磨损和粘着磨损同时存在的混合磨损。(4)采用电泳沉积法将聚维酮碘负载于Ti6Al4V接骨板表面的Ti O2纳米管层上。通过扫描电镜观察聚维酮碘主要分布在纳米管的管口与管壁上,经检测碘元素的重量百分比达到了16.5%。通过体外抗菌实验发现负载有聚维酮碘涂层的试样抗菌率为97.38%,具备良好的抗菌性能。(5)通过Solid Works2016创建胫骨接骨板内固定系统模型,并在采用有限元仿真分析的方法,模拟接骨板在人体内服役的受力情况,对内固定系统整体、接骨板以及接骨板单元在压缩载荷、扭转载荷以及压缩载荷与扭转载荷共同作用下的应力情况进行分析。改性后的内固定系统整体最大等效应力得到改善,分别降低了31.3%、15.3%、26.6%。改性后的接骨板的最大等效应力分别降低了34.2%、37.1%、22.8%。另外,通过观察改性前后的等效应力云图,可以发现改性后的内固定系统整体以及接骨板表面应力分布均匀,低应力区域增大,高应力值区域减小,较好的避免了应力集中现象的产生。
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