钛质口腔器械的力学行为分析及表面改性

Abstract

钛质材料以其良好的抗腐蚀性能、机械性能和生物相容性广泛地应用于口腔医疗器械领域。研究新型钛和钛合金医疗器械的力学行为和表面改性具有重要的理论意义和实用价值。本论文的研究工作主要围绕钛镍根管器械的弯扭和疲劳力学行为，纯钛种植体和其周围骨组织的力学建模分析以及种植体的表面改性展开。其主要内容包括如下四个部分：<br> 第一部分、针对根管器械的弯扭力学问题，建立了超弹性钛镍合金根管器械的几何模型和材料模型，充分考虑了材料的非线性超弹性，载荷历史相关性和拉压不同性的材料特点。用Solidworks软件建立了当前广泛应用的8种根管器械横截面(Triangular，ProTaper，Hero，ProFile，Mani，Quantec，K3 and RevoS)的几何模型以及HERO Shaper和RevoS全系列器械的几何模型。分析了模型在弯扭载荷下的应力分布和应力集中规律。比较了不同种类型根管器械在扭转弯曲和弯扭组合载荷下力学行为的差异及其影响因素。随着扭矩和弯曲角度的增加，应力随之增大，应力的大小与载荷历史相关。当材料处于超弹性范围内时，器械没有明显的应力集中，最大应力也明显小于强度极限。计算得到了器械横截面、锥度、直径对其抗扭转、弯曲柔韧性的影响规律。有限元分析结果与学者的实验结果和医生的临床经验具有很好的一致性，证明了所建立模型的合理性。本研究对学者和医生更深入的理解超弹性钛镍合金作为根管器械的力学行为有着指导意义。<br> 第二部分、针对钛镍根管器械的疲劳问题，首次建立了钛镍根管器械的疲劳模型，针对影响疲劳的关键因素，分析了器械的横截面、锥度尺寸、材料性质、载荷历史对其疲劳行为的影响规律。分析采用应变寿命的方法在ANSYS中进行。结果表明钛镍材料的抗疲劳性能优于不锈钢材料，矩形截面更适用于抗扭转疲劳。大锥度大号数器械更能抵抗扭转疲劳，小锥度器械明显比大锥度器械具有更高的弯曲疲劳寿命。结论与学者们的实验和医生的临床操作认识具有很好的一致性，说明了所建立模型的合理性。使用该方法能够估计特定疲劳事件下器械疲劳寿命或者疲劳损伤比例，对实际的临床应用具有一定的参考价值。<br> 第三部分、针对种植体-骨组织的相关力学问题，建立了两段式内连接种植体的平台转移和非平台转移结构和四类骨质结构以及两类骨吸收形式的有限元模型。模拟了垂直载荷和倾斜载荷作用下，种植体-骨结构的应力响应。指出在一定的功能载荷下，骨质结构越弱，骨质的应力越大。如果出现骨吸收，骨组织应力会提高。倾斜载荷更容易使结构应力过大，而导致结构失效或者出现骨吸收的情况。从力学的角度证明，平台转移结构不如非平台转移结构安全。种植体-骨整合程度越弱，骨质结构越弱，固有频率越低。如果出现骨吸收情况，固有频率会降低。从力学的角度说明了通过检测种植体-骨结构的共振响应频率，可以跟踪骨整合的情况和骨吸收的发生，使医生和患者能够提早预防和采取措施。<br> 第四部分、运用物理化学方法，制备了喷砂酸蚀纯钛表面，并在其基础上，经过碱热处理和过氧化热处理得到的新型应用于种植体领域的改性纯钛表面。表面表征通过扫描电镜观察表面形貌，X射线光电子能谱分析表面成分，接触角测量表面亲水性和光学干涉法测量表面粗糙度。通过类成骨MC3T3-E1细胞在表面上的粘附、增殖、形态、碱性磷酸酶活性和钙沉积量来评价改性表面对成骨细胞的影响。动物实验是在比格犬的下颌骨中植入种植体样品，随后通过采用MicroCT。和组织切片观察种植体及其周围骨组织的生长和骨整合情况。实验结果显示新的生物活性表面综合了表面粗糙度、表面成分和亲水性的优点；显著增强了成骨细胞的粘附、增殖、分化和矿化。在动物体内能够与骨组织形成骨整合，相对与传统喷砂酸蚀表面表面具有更好的生物活性，是可能应用于种植体领域的新型纯钛表面。