【摘要】：第一部分:醫(yī)用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制備及機(jī)械性能研究背景:永久金屬內(nèi)植物一旦進(jìn)入人體,會(huì)緩慢釋放金屬離子,引起周圍組織和器官的炎癥反應(yīng)。因此,在達(dá)到固定治療目的后,部分患者需要二次手術(shù)將內(nèi)植物取出,由此不僅會(huì)給患者帶來身體上的痛苦,還會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。生物可降解金屬具有較好的機(jī)械性能和生物相容性,同時(shí)具有生物可降解性,近些年來逐漸進(jìn)入研究者視線。鎂及其合金的機(jī)械性能與正常骨組織相似,且降解后產(chǎn)生的離子具有較高的生物相容性,因此受到了極大的關(guān)注。但是,鎂基合金最大的缺點(diǎn)在于降解速度過快,不能在骨愈合前完成其固定的目標(biāo)。鋅及其合金以其金屬惰性及相似的機(jī)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(jù)現(xiàn)有的文獻(xiàn)得知,Mg是增強(qiáng)金屬鋅機(jī)械性能的一種有效的合金化元素,并且鎂元素的質(zhì)量百分比在0.93%和1.55%時(shí)表現(xiàn)出了較好的強(qiáng)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(shí)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(xué)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?duì)綜合學(xué)性能進(jìn)一步提升,研究了熱軋?zhí)幚韺?duì)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。方法:實(shí)驗(yàn)采用純鋅、純鎂和純鈣由CO2氣氛保護(hù),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(cè)得合金的成分為Zn-1.13Mg-0.11Ca(wt.%)。同時(shí),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(duì)合金試樣進(jìn)行掃描,觀察其微觀組織及物相結(jié)構(gòu);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(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸性能測(cè)試;使用掃描電鏡觀察拉伸試驗(yàn)測(cè)試后的樣品斷口形貌;在顯微硬度計(jì)上進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。結(jié)果:Zn-1.2Mg-0.1Ca合金因Ca的引入會(huì)在樹枝晶間形成菱角分明的Ca Zn13相,會(huì)提升合金的強(qiáng)度和硬度,且軋制處理后,微觀組織呈現(xiàn)一定的取向,共晶組織和析出物沿晶界排布,使其表現(xiàn)出較為優(yōu)異的力學(xué)性能。結(jié)論:通過Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制備及實(shí)驗(yàn)研究證明,軋Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相對(duì)較好的機(jī)械性能,可作為新的醫(yī)用可降解材料,應(yīng)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(duì)于聚合物材料及陶瓷,具有較高的強(qiáng)度及硬度,因此作為一種生物醫(yī)學(xué)材料,被廣泛的應(yīng)用在骨科內(nèi)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(nèi)植物,應(yīng)用于人體。一旦進(jìn)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(yīng)。因此,在達(dá)到固定治療目的后,部分患者需要二次手術(shù)將內(nèi)植物取出,由此不僅會(huì)給患者帶來身體上的痛苦,還會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。醫(yī)用可降解金屬具有較好的機(jī)械性能和生物相容性,同時(shí)具有生物可降解性,近些年來逐漸進(jìn)入研究者視線。鎂及其合金的機(jī)械性能與正常骨組織相似,且降解后產(chǎn)生的離子具有較高的生物相容性,因此受到了極大的關(guān)注。但是,鎂基合金最大的缺點(diǎn)在于降解速度過快,不能在骨愈合前完成其固定的目標(biāo),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(jī)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(xiàn),純鋅的機(jī)械性能較差,無法直接加工成為內(nèi)植物設(shè)備。因此,合金化處理增加鋅的機(jī)械性能,成為了必不可少的過程。第一部分實(shí)驗(yàn)證明,熱軋的合金具有相對(duì)較好的機(jī)械性能,該部分實(shí)驗(yàn)通過對(duì)該合金的腐蝕性能、血液相容性及細(xì)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?duì)其綜合學(xué)性能進(jìn)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(xì)胞毒性。方法:通過電化學(xué)測(cè)試及浸漬實(shí)驗(yàn)對(duì)合金的體外降解性能進(jìn)行評(píng)估;通過水接觸角實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)了合金的親疏水性;通過溶血率測(cè)試、血小板粘附實(shí)驗(yàn),評(píng)價(jià)合金的血液相容性;通過細(xì)胞毒實(shí)驗(yàn)評(píng)估細(xì)胞對(duì)合金耐受性。結(jié)果:1、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有較為理想的腐蝕速率,電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示其腐蝕速率為0.103 mm/year;2、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金表現(xiàn)出了親水性,其溶血率遠(yuǎn)低于5%,不致引發(fā)對(duì)血液成分的破壞,且血小板粘附性能較佳,不會(huì)造成血液凝聚,綜合表現(xiàn)出良好的血液相容性;3、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的體外細(xì)胞毒性結(jié)果提示,MG63細(xì)胞對(duì)合金表現(xiàn)出較好的耐受性,3T3細(xì)胞對(duì)其稀釋后的浸提液具備耐受性,并無明顯的細(xì)胞毒性作用。結(jié)論:通過以上實(shí)驗(yàn)證明,Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有適當(dāng)?shù)母g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(yīng)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(nèi)降解及生物相容性研究背景:對(duì)于生物材料的生物相容性的評(píng)價(jià)方法,總體上可分為三階段:體外生物相容性實(shí)驗(yàn)、體內(nèi)生物相容性實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)。通過前兩部分的研究已經(jīng)證實(shí),軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相對(duì)較好的機(jī)械性能和適當(dāng)?shù)母g速率的同時(shí),也具有良好的體外生物相容性。該部分研究,為了進(jìn)一步觀察軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的植入動(dòng)物體內(nèi)后,其生物學(xué)性能的變化,了解其與體內(nèi)物質(zhì)及微環(huán)境的相互作用和影響,以及其在體內(nèi)降解的變化過程中對(duì)骨與周圍組織的影響。該部分對(duì)軋態(tài)Zn-1.2Mg-0.1Ca合金進(jìn)行進(jìn)一步的體內(nèi)生物相容性試驗(yàn)。體內(nèi)生物相容性試驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)材料植入動(dòng)物體內(nèi),評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的組織器官對(duì)試樣的生物學(xué)反應(yīng)。至今為止,體內(nèi)生物相容性實(shí)驗(yàn)仍然是研究機(jī)體對(duì)生物材料反應(yīng)的主要手段之一。目的:研究合金在新西蘭白兔體內(nèi)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(nèi)。定期抽血監(jiān)測(cè)鎂離子及鋅離子濃度濃度;通過生化檢測(cè),結(jié)合重要組織的切片觀察,評(píng)價(jià)肝腎功能的變化;通過Micro-CT掃描與硬組織磨片觀察,評(píng)估兩種合金在兔體內(nèi)的降解情況及相容性。結(jié)果:實(shí)驗(yàn)材料植入后兔生命體征平穩(wěn),手術(shù)區(qū)域干燥,無紅腫及感染化膿現(xiàn)象,未出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。2個(gè)月取材時(shí)兩組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物手術(shù)創(chuàng)口愈合良好,未發(fā)現(xiàn)明顯皮下氣泡。4個(gè)月時(shí)間點(diǎn)取材時(shí),兔股骨髁種植材料處愈合較好。術(shù)后X線片觀察,假體安裝位置一周后,進(jìn)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(cè)證明兔的肝腎功能未受到影響,結(jié)合重要器官切片HE染色,證明兔的心臟、肝臟、腎臟及脾的結(jié)構(gòu)及功能均未受到明顯影響。Micro-CT掃描發(fā)現(xiàn)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(xiàn)鋅合金棒材周圍有少量骨形成。結(jié)論:1、將鋅合金植入新西蘭兔骨內(nèi),具有較低的腐蝕速率,在術(shù)后32周可以在骨愈合期間內(nèi)提供足夠的力學(xué)支撐;2、鋅合金與骨組織交界面無炎性細(xì)胞浸潤(rùn),無界膜樣物質(zhì)形成,在體內(nèi)能與骨組織有良好的結(jié)合力,并能促進(jìn)新骨形成;3、鋅合金植入動(dòng)物骨內(nèi)后對(duì)外周血鋅、肝腎功能等無影響;4、術(shù)后新西蘭兔心、肝、腎等組織形態(tài)學(xué)上細(xì)胞結(jié)構(gòu)無改變,說明鋅合金對(duì)機(jī)體重要組織具有良好的生物相容性和生物安全性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：R318.08;R68
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本文編號(hào)：2333667