【摘要】：第一部分:醫(yī)用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制備及機械性能研究背景:永久金屬內植物一旦進入人體,會緩慢釋放金屬離子,引起周圍組織和器官的炎癥反應。因此,在達到固定治療目的后,部分患者需要二次手術將內植物取出,由此不僅會給患者帶來身體上的痛苦,還會帶來經濟負擔。生物可降解金屬具有較好的機械性能和生物相容性,同時具有生物可降解性,近些年來逐漸進入研究者視線。鎂及其合金的機械性能與正常骨組織相似,且降解后產生的離子具有較高的生物相容性,因此受到了極大的關注。但是,鎂基合金最大的缺點在于降解速度過快,不能在骨愈合前完成其固定的目標。鋅及其合金以其金屬惰性及相似的機械性能,成為新的選擇。此外,鋅是人體必需元素之一,在人體的新陳代謝過程中起到很大的作用。根據現有的文獻得知,Mg是增強金屬鋅機械性能的一種有效的合金化元素,并且鎂元素的質量百分比在0.93%和1.55%時表現出了較好的強度和硬度。另外,Ca是人體必需的生命元素,也是人體中含量最為豐富的金屬元素,99%存于牙齒和骨骼中,維持牙齒和骨骼的支撐作用,同時Ca還是一種重要的合金化元素,被用來改善鋅及其合金的力學性能。目的:制備了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用熱軋?zhí)幚淼姆绞綄C合學性能進一步提升,研究了熱軋?zhí)幚韺n-1.2Mg-0.1Ca合金的微觀結構及力學性能的影響。方法:實驗采用純鋅、純鎂和純鈣由CO2氣氛保護,在460oC-480oC條件下,熔煉成為Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測得合金的成分為Zn-1.13Mg-0.11Ca(wt.%)。同時,制備了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金熱軋板。此外,使用X射線衍射分析儀和電鏡,對合金試樣進行掃描,觀察其微觀組織及物相結構;并將鑄態(tài)和軋態(tài)鋅合金加工成拉伸試樣,在萬能材料力學試驗機上進行室溫拉伸性能測試;使用掃描電鏡觀察拉伸試驗測試后的樣品斷口形貌;在顯微硬度計上進行顯微硬度測試。結果:Zn-1.2Mg-0.1Ca合金因Ca的引入會在樹枝晶間形成菱角分明的Ca Zn13相,會提升合金的強度和硬度,且軋制處理后,微觀組織呈現一定的取向,共晶組織和析出物沿晶界排布,使其表現出較為優(yōu)異的力學性能。結論:通過Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制備及實驗研究證明,軋Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相對較好的機械性能,可作為新的醫(yī)用可降解材料,應用于后續(xù)的研究。第二部分:醫(yī)用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的體外降解及體外生物相容性研究背景:金屬相對于聚合物材料及陶瓷,具有較高的強度及硬度,因此作為一種生物醫(yī)學材料,被廣泛的應用在骨科內植物中。但是,傳統(tǒng)的生物金屬材料如不銹鋼、鈷鉻合金、及鈦合金,具有較高的抗腐蝕能力,被作為永久內植物,應用于人體。一旦進入人體,植入物可能釋放金屬離子,引起周圍組織和器官的炎癥反應。因此,在達到固定治療目的后,部分患者需要二次手術將內植物取出,由此不僅會給患者帶來身體上的痛苦,還會帶來經濟負擔。醫(yī)用可降解金屬具有較好的機械性能和生物相容性,同時具有生物可降解性,近些年來逐漸進入研究者視線。鎂及其合金的機械性能與正常骨組織相似,且降解后產生的離子具有較高的生物相容性,因此受到了極大的關注。但是,鎂基合金最大的缺點在于降解速度過快,不能在骨愈合前完成其固定的目標,目前仍處于研究階段。與鎂合金相比,鋅及其合金以其金屬惰性及相似的機械性能,成為新的選擇。此外,鋅是人體必需元素之一,在人體的新陳代謝過程中起到很大的作用。通過以上因素綜合考慮,鋅可以作為可降解金屬的一份子。但是,研究發(fā)現,純鋅的機械性能較差,無法直接加工成為內植物設備。因此,合金化處理增加鋅的機械性能,成為了必不可少的過程。第一部分實驗證明,熱軋的合金具有相對較好的機械性能,該部分實驗通過對該合金的腐蝕性能、血液相容性及細胞毒性的研究,觀察其體外降解行為及體外生物相容性。目的:制備了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用熱軋?zhí)幚韺ζ渚C合學性能進一步提升,探究了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的腐蝕性能、血液相容性及細胞毒性。方法:通過電化學測試及浸漬實驗對合金的體外降解性能進行評估;通過水接觸角實驗,評價了合金的親疏水性;通過溶血率測試、血小板粘附實驗,評價合金的血液相容性;通過細胞毒實驗評估細胞對合金耐受性。結果:1、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有較為理想的腐蝕速率,電化學實驗結果提示軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金腐蝕速率為0.250 mm/year,浸泡實驗的結果顯示其腐蝕速率為0.103 mm/year;2、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金表現出了親水性,其溶血率遠低于5%,不致引發(fā)對血液成分的破壞,且血小板粘附性能較佳,不會造成血液凝聚,綜合表現出良好的血液相容性;3、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的體外細胞毒性結果提示,MG63細胞對合金表現出較好的耐受性,3T3細胞對其稀釋后的浸提液具備耐受性,并無明顯的細胞毒性作用。結論:通過以上實驗證明,Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有適當的腐蝕性和體外生物相容性。該合金可以作為新的生物可降解材料,應用于后續(xù)的研究。第三部分:醫(yī)用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的體內降解及生物相容性研究背景:對于生物材料的生物相容性的評價方法,總體上可分為三階段:體外生物相容性實驗、體內生物相容性實驗和臨床試驗。通過前兩部分的研究已經證實,軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相對較好的機械性能和適當的腐蝕速率的同時,也具有良好的體外生物相容性。該部分研究,為了進一步觀察軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的植入動物體內后,其生物學性能的變化,了解其與體內物質及微環(huán)境的相互作用和影響,以及其在體內降解的變化過程中對骨與周圍組織的影響。該部分對軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金進行進一步的體內生物相容性試驗。體內生物相容性試驗將實驗材料植入動物體內,評價實驗動物的組織器官對試樣的生物學反應。至今為止,體內生物相容性實驗仍然是研究機體對生物材料反應的主要手段之一。目的:研究合金在新西蘭白兔體內生物相容性與安全性方法:將軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金和WE43鎂合金(作為參照),制成柱狀試樣,植入新西蘭兔股骨髁部骨髓腔內。定期抽血監(jiān)測鎂離子及鋅離子濃度濃度;通過生化檢測,結合重要組織的切片觀察,評價肝腎功能的變化;通過Micro-CT掃描與硬組織磨片觀察,評估兩種合金在兔體內的降解情況及相容性。結果:實驗材料植入后兔生命體征平穩(wěn),手術區(qū)域干燥,無紅腫及感染化膿現象,未出現死亡現象。2個月取材時兩組實驗動物手術創(chuàng)口愈合良好,未發(fā)現明顯皮下氣泡。4個月時間點取材時,兔股骨髁種植材料處愈合較好。術后X線片觀察,假體安裝位置一周后,進行X線掃描觀察,假體位置合適,位于骨髓腔中。外周血生化檢測證明兔的肝腎功能未受到影響,結合重要器官切片HE染色,證明兔的心臟、肝臟、腎臟及脾的結構及功能均未受到明顯影響。Micro-CT掃描發(fā)現相比于鎂合金,鋅合金降解速度較慢,周圍有少量骨形成,氣體空腔較少。硬組織磨片發(fā)現鋅合金棒材周圍有少量骨形成。結論:1、將鋅合金植入新西蘭兔骨內,具有較低的腐蝕速率,在術后32周可以在骨愈合期間內提供足夠的力學支撐;2、鋅合金與骨組織交界面無炎性細胞浸潤,無界膜樣物質形成,在體內能與骨組織有良好的結合力,并能促進新骨形成;3、鋅合金植入動物骨內后對外周血鋅、肝腎功能等無影響;4、術后新西蘭兔心、肝、腎等組織形態(tài)學上細胞結構無改變,說明鋅合金對機體重要組織具有良好的生物相容性和生物安全性。
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【學位授予單位】：第四軍醫(yī)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：R318.08;R68
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本文編號：2333667