骨填充用新型可降解镁锶合金的降解性能研究和应用探索

发布时间：2020-05-04 18:18

【摘要】：骨缺损修复在临床上是骨科中极为常见的手术,要求骨移植替代物能够加强对缺损处的修复作用进而促进骨愈合。目前临床应用的骨修复材料都因为存在各自的缺点及挑战而不能成为理想的骨移植替代材料。镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内被降解吸收等特点,成为一类极具临床应用前景的新型生物可降解骨植入材料。镁锶合金因为具有良好的促成骨、促血管化等生物医学功能而被研究者关注,但镁锶合金过快的降解速度仍是阻碍其临床应用的壁垒。本文通过调整合金成分和不同的加工方式来提高镁锶合金的耐腐蚀性能,并进一步研究其腐蚀机制。在此基础上,选择优化处理的镁锶合金进行动物体内实验,初步探索合金在骨填充领域中应用的可行性。本文将具有促进骨骼发育和类骨质形成作用的锶(Sr)元素添加到镁基体中,制备了不同Sr含量的挤压态Mg-Sr合金(Mg-1.OSr,Mg-1.5Sr,Mg-2.0Sr)。研究了 Sr含量的变化对挤压态Mg-Sr合金的微观组织和耐腐蚀性能的影响。挤压态Mg-Sr合金是由合金基体和Mg17Sr2第二相组成,随着Sr含量的增加,晶粒尺寸减小,第二相含量增多。Mg-1.5Sr合金在模拟体液中的耐蚀性最佳,Mg-2.0Sr合金的耐蚀性最差,这是微观组织中晶粒尺寸和第二相双重作用导致的结果。选择Mg-1.5Sr合金为研究对象,通过挤压和热处理的加工方式得到不同状态的Mg-1.5Sr合金,研究热挤压和热处理对Mg-Sr合金降解行为的影响和Mg-Sr合金在模拟体液中的腐蚀机制。实验结果表明,Mg-Sr合金的腐蚀行为与合金组织有很大的依赖关系,Mg-Sr合金中晶粒尺寸越小,耐蚀性越好,合金表面的腐蚀膜层越致密。第二相在Hank's溶液中腐蚀开裂,对合金基体没有有效的阻挡作用。铸态合金中网状第二相覆盖全部晶粒,严重的电偶腐蚀导致极差的耐蚀性,以晶间腐蚀为主。挤压态Mg-Sr合金中第二相被碎化,电偶腐蚀减弱,主要以丝状腐蚀和点蚀为主。挤压态Mg-1.5Sr合金的腐蚀速率远小于铸态合金,优化得到能够获得最佳耐蚀性能的挤压态Mg-Sr合金的热处理制度为450℃/5 h。将优化处理后的Mg-Sr合金植入到新西兰白兔的人造骨缺损中8周,利用micro-CT与组织学分析来表征植入物对骨缺损处和周围骨组织的响应情况。结果表明,与临床应用的TCP植入物相比,优化处理后的Mg-Sr合金具有更优异的促成骨和缺损修复的性能。适量的镁离子释放以及一个较稳定的植入物表面是促进成熟新生骨贴附和生长的关键。因此,优化处理后的挤压态Mg-1.5Sr合金作为新一代骨填充材料极具应用潜力。
【图文】：

示意图,胫骨缺损,骨缺损,示意图

或者上述两种都会出现［２］。明显骨缺损或者受伤后的并发症，例如骨延迟愈逡逑合、骨不连、骨连接不正等，都需要骨移植材料来填充缺损部位。此外，骨肿瘤逡逑剔除后留下的缺损也需要骨移植替代材料的填充修复［３１。图１．１为骨缺损修复的逡逑临床治疗示意图。骨愈合与其他软组织的愈合不同，它的愈合是通过新骨的生成逡逑完成的。骨修复需要四种必要的因素：（１）生长因子所提供的骨诱导信号；（２）逡逑可成骨的细胞（例如成骨细胞、骨垞细胞）；（３）邋—个骨传导的基体；（４）足够逡逑的营养供应和血运。现在临床上常用的骨修复材料也正是为了满足这些需求而研逡逑发并应用。逡逑图１．１骨缺损修复示意图：（ａ）下领骨缺损填充；（ｂ）胫骨缺损填充逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋ｂｏｎｅ邋ｄｅｆｅｃｔ邋ｒｅｐａｉｒ逡逑１逡逑

示意图,第二相,作用机制

逡逑此合金表面比内部更加耐腐蚀。图１．４是第二相能够阻挡腐蚀扩展的示意图。逡逑（Ａ）逡逑：一逡逑图１．４第二相阻挡作用机制图逡逑Ｆｉｇ．１．４邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｆｏｒ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｅｃｏｎｄ邋ｐｈａｓｅ邋ａｓ邋ｂａｒｒｉｅｒ邋ｔｏ邋ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ逡逑（３）综合作用逡逑综上，第二相对于镁合金的腐蚀行为具有两种截然不同的影响，哪一种作用逡逑在腐蚀过程中作为主导因素主要取决于第二相的数量和分布。当第二相数量较少逡逑且分布不连续时，第二相所造成的电偶腐蚀作用占主导地位；而当合金中第二相逡逑呈网状连续分布时，第二相则会成为阻碍腐蚀扩展的屏障。逡逑５．腐蚀产物膜层逡逑镁合金在水溶液中的腐蚀可以看作是一种电化学反应，腐蚀产物为ＭｇＯ和逡逑Ｍｇ（ＯＨ）２。Ｚｈｕ等人［５５］研究了邋ＡＺ３１合金在浸泡３１天过程中其表面的Ｍｇ（ＯＨ）２逡逑和合金腐蚀速度之间的关系，发现溶液中的ｃｒ会攻击表面膜层，并且随着浸泡逡逑时间的延长会使腐蚀产物层变薄。浸泡７天时，研究者观察到较小的裂纹出现在逡逑膜层上，这意味着点蚀的发生。因此，即使腐蚀产物膜层最终会被破坏，，但还是逡逑在短时间内能够给合金基体提供一定的保护作用。逡逑合金化、晶界尺寸以及第二相都会对膜层的致密度以及保护性有很大的影响。逡逑Ｌｉｕ等人［５６］研究发现
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.22;R318.08

【参考文献】