【摘要】：目的:醫(yī)用鎂合金作為一種可降解的骨科生物醫(yī)用材料具有十分光明的臨床應(yīng)用前景。但是目前鎂合金為醫(yī)用材料在應(yīng)用上存在的最大的障礙就是它腐蝕速度過快,而且腐蝕時(shí)會(huì)伴有大量氣體產(chǎn)生,這大大限制了鎂合金的開發(fā)和應(yīng)用。從骨科學(xué)角度講,鎂合金的力學(xué)性能、降解性能及生物相容性等方面的研究是在骨科領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。盡管有很多報(bào)道或文獻(xiàn)使人們對生物可降解鎂合金成為骨科新一代內(nèi)植物材料的前景抱有期望,但目前并無可降解鎂合金產(chǎn)品,說明其還需要改進(jìn)和研究。本論文的研究思路是通過分析選擇合金成分,通過合金化設(shè)計(jì)和制備,在鎂基體中添加其他特定合金化元素,來觀察其性能的變化,對可降解鎂合金力學(xué)性能、腐蝕性能、生物相容性、降解產(chǎn)氣、毒性等多個(gè)方面進(jìn)行研究和觀察,選擇或評價(jià)各個(gè)特性及其結(jié)果,為今后的可降解鎂合金設(shè)計(jì)、制備及研究方式選擇打下基礎(chǔ),提供可靠依據(jù),為可降解鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用提供力所能及的支持。方法:(1)鎂合金材料成分設(shè)計(jì)制備及性能研究,從醫(yī)學(xué)和冶金學(xué)兩方面考察各種合金元素的作用,分析并選定合適的合金元素,通過鑄造的方式來制備生物醫(yī)用鎂合金;通過研究鎂合金的微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能,來評價(jià)各組分鎂合金的性能優(yōu)劣。(2)鎂合金材料體外實(shí)驗(yàn)中,通過溶血性研究和細(xì)胞毒性研究,進(jìn)一步評價(jià)鎂合金的生物相容性中的血液相容性和細(xì)胞毒性,并作為篩選鎂合金進(jìn)入下一階段研究的依據(jù)。(3)鎂合金材料體外實(shí)驗(yàn)中,通過抑菌實(shí)驗(yàn)研究來探討和評價(jià)鎂合金材料的抗感染潛力及其特點(diǎn)。(4)鎂合金材料體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,通過大體觀察、血液生化檢查及影像學(xué)檢查等方法,系統(tǒng)觀察分析鎂合金產(chǎn)氣現(xiàn)象。(5)鎂合金材料體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,通過血液生化檢查及等方法,研究分析在體鎂合金對組織、器官的毒性作用。(6)鎂合金材料體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,通過病理學(xué)檢查及掃描電鏡實(shí)驗(yàn)等方法,研究分析在體鎂合金對周圍組織的炎癥影響和纖維膜形成情況。(7)鎂合金材料體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,通過掃描電鏡實(shí)驗(yàn)方法,研究分析在體鎂合金降解模式。(8)鎂合金材料體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中,通過大體觀察、影像學(xué)檢查及病理學(xué)檢查等方法,研究分析在體鎂合金對周圍對骨性結(jié)構(gòu)生成情況的影響。結(jié)果:(1)鑄態(tài)合金的晶粒尺度在50μm左右,且晶界上有不同量的析出物存在。合金都是由α-Mg相(鈣在鎂中的固溶體)和Mg_(24)Y_5、CaZn_3相組成。其中α-Mg相是基體,Mg_(24)Y_5、CaZn_3相主要集中在晶界處,Mg_(24)Y_5、CaZn_3相的數(shù)量及形態(tài)不同導(dǎo)致了各成分合金性能的差異。(2)對合金的顯微硬度測試發(fā)現(xiàn)鎂合金I、鎂合金II、鎂合金III樹枝晶區(qū)(暗區(qū))和兩相區(qū)(亮區(qū))顯微硬度逐漸增加,以鎂合金III樹枝晶區(qū)(暗區(qū))和兩相區(qū)(亮區(qū))顯微硬度最大,為108±6.2Mpa和154.4±5.5Mpa。(3)對合金的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨含鋅量的增加而增大。鎂合金III的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大,分別達(dá)到了85.6Mpa和143 Mpa,伸長率達(dá)到14.9%。(4)各組鎂合金壓縮彈性模量均接近45GPa,最大壓縮模量、抗壓強(qiáng)度和壓縮屈服點(diǎn)則分別達(dá)到53 GPa、272 MPa和113 MPa。但仍較純鎂略高,而未能接近骨的彈性模量(20GPa)。(5)Mg的標(biāo)準(zhǔn)電極電位-2.375 V,鎂合金II和鎂合金III在Hank's溶液中的腐蝕電位(-1611mV和-1503mV)和極化電阻(0.119/KΩ和0.123/KΩ)均高于鎂合金I(-1654mV和0.051/KΩ),而腐蝕速率(8.46×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1)和6.69×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1))均低于鎂合金I(25.4×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1))。(6)鎂合金I的浸提液濃度分別為100%、75%、50%和25%時(shí)溶血率5%,發(fā)生溶血反應(yīng),而浸提液濃度≤10%時(shí),溶血率5%,無溶血反應(yīng);鎂合金II和鎂合金III組的溶血率均達(dá)到5%的要求。(7)采用MTT比色法研究鎂合金II和鎂合金III的細(xì)胞毒性,結(jié)果顯示鎂合金II和鎂合金III毒性分級(jí)均為0級(jí)和1級(jí)。(8)鎂合金II和鎂合金III可對Eco2表現(xiàn)出抑菌性能,抑菌環(huán)最大直徑分別為23.25±0.343mm和23.10±0.415mm,具有明顯選擇性。(9)在產(chǎn)氣現(xiàn)象方面,鎂合金各組間沒有明顯的區(qū)別,軟組織包埋的鎂合金II和鎂合金III試件產(chǎn)生少量或未產(chǎn)生氣泡,植入股骨干的鎂合金II和鎂合金III試件于股骨表面未產(chǎn)生氣泡,而在股骨髓腔內(nèi)則都產(chǎn)生了氣體。(10)綜合血液、生化檢查及重要臟器病理結(jié)果來看,鎂合金II和鎂合金III均未對血液系統(tǒng)、心臟、肝臟和腎臟產(chǎn)生明顯的毒性作用,尤其肝臟。(11)炎癥細(xì)胞反應(yīng)評級(jí)和纖維囊評級(jí)中,鈦合金、鎂合金II和鎂合金III,2w時(shí)炎癥細(xì)胞反應(yīng)評級(jí)和纖維囊評級(jí)均為III級(jí),4w時(shí)均減為II級(jí),進(jìn)一步的掃描電鏡結(jié)果顯示鎂合金II的纖維膜厚度平均值接近鈦合金和鎂合金III纖維膜厚度的2倍,而鎂合金III和鈦合金基本持平,約100μm,而大于30μm。(12)股骨的愈合以骨痂修復(fù)為主,股骨干形成的外骨痂明顯,而影像學(xué)證實(shí)內(nèi)骨痂形成受影響,植入物接觸面鈦合金、鎂合金II和鎂合金III組均有新生骨小梁形成,進(jìn)一步BMP-2免疫組化染色結(jié)果顯示鎂合金II和鎂合金III在2w和4w時(shí)與鈦合金對比P值0.05,而8w和12w時(shí)P值0.05。結(jié)論:(1)選定了鋅、鈣、釔為合金元素。采用熔鑄的方法制備三種鑄態(tài)鎂合金。鎂合金組織分析,鑄態(tài)合金的晶粒尺度在50μm左右,且晶界上有不同量的析出物存在。合金都是由α-Mg相(鈣在鎂中的固溶體)和Mg_(24)Y_5、CaZn_3相組成。(2)顯微硬度測試、拉伸力學(xué)性能測試和腐蝕性能測試的結(jié)果均為鎂合金III的各相性能優(yōu)于其他兩個(gè)組分的鎂合金;而壓縮性能測試的結(jié)果未能成功接近骨的壓縮性能。(3)溶血性實(shí)驗(yàn)表明鎂合金I的溶血率存有5%的情況存在,發(fā)生溶血反應(yīng),需要篩除鎂合金I;鎂合金II和鎂合金III組的溶血率可以達(dá)到5%的要求。鎂合金II和鎂合金III得以保留。鎂合金II和鎂合金III與鎂合金I所表現(xiàn)出的差異應(yīng)該與其腐蝕電位、極化電阻和腐蝕速率差異相符合,我們認(rèn)為腐蝕電位、極化電阻和腐蝕速率是非常有價(jià)值的研究鎂合金性能的切入點(diǎn),對鎂合金的設(shè)計(jì)制造和生物學(xué)性能評價(jià)均有重要意義。(4)MTT比色法研究鎂合金II和鎂合金III的細(xì)胞毒性,結(jié)果顯示鎂合金II和鎂合金III無明顯的細(xì)胞毒性,符合生物醫(yī)用材料的要求。(5)鎂合金II和鎂合金III確實(shí)表現(xiàn)出了抑菌性能,明顯具有選擇性,這種選擇性抑菌性能很可能與釔元素的加入有關(guān)。(6)在產(chǎn)氣現(xiàn)象方面,鎂合金各組間沒有明顯的區(qū)別,軟組織包埋的鎂合金II和鎂合金III試件產(chǎn)生少量或未產(chǎn)生氣泡,植入股骨干的鎂合金II和鎂合金III試件于股骨表面未產(chǎn)生氣泡,而在股骨髓腔內(nèi)則都產(chǎn)生了氣體。(7)綜合血液、生化檢查及重要臟器病理結(jié)果來看,鎂合金II和鎂合金III均未對血液系統(tǒng)、心臟、肝臟和腎臟產(chǎn)生明顯的毒性作用,尤其肝臟。(8)炎癥細(xì)胞反應(yīng)評級(jí)和纖維囊評級(jí)中,鎂合金II和鎂合金III,及鎂合金與鈦合金間沒有明顯區(qū)別,進(jìn)一步的掃描電鏡結(jié)果顯示鎂合金II的纖維膜厚度平均值接近鈦合金和鎂合金III纖維膜厚度的2倍,而鎂合金III和鈦合金基本持平,約100μm,但仍未達(dá)到臨床應(yīng)用的要求。(9)股骨的愈合以骨痂修復(fù)為主,股骨干形成的外骨痂明顯,而影像學(xué)證實(shí)內(nèi)骨痂形成受影響,植入物接觸面鈦合金、鎂合金II和鎂合金III組均有新生骨小梁形成,進(jìn)一步BMP-2免疫組化染色結(jié)果顯示鎂合金II和鎂合金III短期內(nèi)可提高BMP-2表達(dá),對成骨有促進(jìn)作用。
【圖文】：

第二章 鎂合金材料設(shè)計(jì)及性能研究融化，溫度恢復(fù)至 760℃，取出坩堝，加入另一塊鎂塊，有孔一端向下，被熔融狀態(tài)鎂包裹。隨即將加熱溫度設(shè)置為 840℃，然后在 780-810℃條件下保持液態(tài)合金 20 min。加熱過程中如有燃燒現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)撒覆蓋劑。(6)澆注。熔融金屬液最終澆注進(jìn)一個(gè)規(guī)格為 90×45×12mm 的鐵質(zhì)模具，澆注前須將模具預(yù)熱至 200℃。待步驟(5)完成后，取出模具，將盛有熔融金屬液的坩堝取出，濾掉覆蓋劑殘液，進(jìn)行澆注。澆注中后期，速度不宜太慢，否則澆注不足。待溫度降到 300℃以下，取出鑄錠。其中，，鑄型如圖 2.1 所示：

第二章 鎂合金材料設(shè)計(jì)及性能研究表 2.4 鑄態(tài)鎂合金實(shí)際成分元素 鎂合金 I 鎂合金 II 鎂合金 IIIMg（wt.%） 97.9±0.6 96.9±1.2 93.2±1.6Zn（wt.%） 1.1±0.1 2.4±0.2 4.5±0.1Ca（wt.%） 0.5±0.2 0.5±0.1 1.2±0.2Y（wt.%） 0.5±0.1 0.5±0.1 1.1±0.42.3.1.2 鑄態(tài)鎂合金組織分析圖 2.2 中是各種合金的鑄態(tài)組織的金相照片，結(jié)合鎂合金的金相圖對其進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：R318.08

【參考文獻(xiàn)】

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5 王勇平;何耀華;朱兆金;蔣W

本文編號(hào)：2630403