镁增强聚乳酸复合材料的降解行为研究

发布时间：2020-10-23 20:03

　　 聚乳酸/镁合金复合材料是一种新型生物材料,具有良好的生物相容性和生物降解性,其降解性能是临床应用的重要基础。但是,聚乳酸降解和镁合金腐蚀机理非常复杂,影响因素众多,降解和腐蚀还相互影响,难以通过单纯的实验研究深入分析复合材料的降解动力学机理。本文首先通过降解实验研究聚乳酸/镁合金复合材料的典型降解行为,然后采用元胞自动机方法模拟聚乳酸、镁合金和复合材料的降解动力学。采用不同体积分数的AZ31B镁合金丝制备了聚乳酸/镁合金复合材料,研究了镁合金丝体积分数对复合材料力学性能和体外降解行为的影响。研究发现,镁合金丝的定向增强可以有效提升复合材料的弯曲强度,与聚乳酸相比,10vol%和20vol%镁合金丝复合材料的弯曲强度分别提高23.6%和33.9%;镁合金丝的加入还能有效中和聚乳酸的酸性降解产物,降低聚乳酸的降解速率。采用固定时间步长的粗糙网格蒙特卡罗算法和有限差分法模拟了聚乳酸的断链、再结晶、低聚物生成和扩散等过程,建立了模拟聚乳酸降解的二维元胞自动机模型,研究了断链方式、自催化机制、结晶度、扩散过程和材料尺寸对聚乳酸降解的影响,并证明聚乳酸降解过程中随机断链和末端断链同时存在。提出用均方根误差Re评判模型准确性的方法,模拟结果与实验结果较高的吻合度证明了该模型进行聚乳酸降解模拟的可行性。根据新的镁合金腐蚀动力学方程建立了镁合金腐蚀的二维元胞自动机模型,研究了腐蚀方式和腐蚀动力学参数对镁合金腐蚀的影响,并用该模型较好的模拟了文献中的实验结果。在此基础上提出了聚乳酸/镁合金复合材料降解的元胞自动机模型,证实了该模型模拟聚乳酸/镁合金复合材料降解行为的可行性。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R318.08;TB33
【部分图文】：

骨固定材料多为金金等[1]。这些材料2]：（1）部分金属材材料弹性模量较高3）这些金属材料在出，会为患者带来之一，具有重要的的研究现状id 或 Polylactide, 缩、脱水、纯化后经

的水解机制和影响因素以通过热降解、光降解等多种模式进行降解，最为常见的是环境中，聚乳酸的降解可以分为两个阶段[24]：（1）聚乳酸主链子渗入聚乳酸基体，导致聚乳酸链松弛，酯键初步水解，分子溶性的低聚物；（2）活性代谢。该阶段中水解生成的低聚物为单体乳酸，随后进一步代谢为水和二氧化碳。本文主要关化学水解阶段。面来看，聚乳酸的水解涉及自催化和非催化、末端断链和随解三大类机制。催化和非催化等外部催化剂时，聚乳酸可以以自催化机制和非催化机制水解时，酯键断裂生成新的羟基和羧基（图 1-2），羧基具有离子会催化聚乳酸分子链上酯键的水解（图 1-3），随着降解水解速率加快，产生“自催化水解”现象[26]。

图 1-3 酸催化聚乳酸酯键水解机制[28]自催化水解时，聚乳酸的水解速率和酯键、羧基、水的浓度成正比，以表示为： = OH、Cw和 Ce分别表示羧基浓度、水分子浓度和酯键浓度，t 和 k 分别催化水解速率常数。认为当聚乳酸分子量足够高时，在水解初始阶段 Cw和 Ce均为常数，公式 1.2： ￠ = 0和 Mn,t分别表示聚乳酸初始时和降解 t 时间后的数均分子量，水解。有催化作用时，聚乳酸的水解动力学方程可以表示为： ′
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本文编号：2853479