生物医用多孔镁及纯镁表面玻璃陶瓷水泥涂层的制备及性能研究

发布时间：2018-06-15 00:00

本文选题：多孔镁 + 骨组织工程支架　；参考：《东北大学》2014年博士论文

【摘要】：目前,传统医用金属材料(如316L不锈钢、钛及钛合金)虽然具有出色的力学性能,但它们在临床应用中仍存在较低生物活性、释放有毒离子等缺点。与之相比,金属镁因具有无毒性、较高的生物降解速率、较低的弹性模量等性能特征,有望作为理想的骨组织支架材料。由于它在含氯溶液(如人体体液或者血浆)中会发生迅速腐蚀,同时还会产生氢气泡聚集在镁植入体周围,从而限制了它在临床上的应用。因此,有必要找到一种有效的表面改性工艺来降低其腐蚀速率并进一步提高其生物相容性。本论文对生物多孔镁及纯镁表面玻璃陶瓷水泥(BGCC)涂层的制备工艺、微观形貌和结构、力学性能、体外(in vitro)生物性能及抗腐蚀性能进行了系统的研究,以期制备出在生物医用材料领域具有良好应用潜能的多孔镁支架以及镁基涂层材料。以不同形状的镁粉为原料,以盐粒为造孔剂,通过粉末冶金法制备出一种新颖的具有特殊双层结构的镁支架。支架的外层为相互连通的多孔结构,以满足输送新鲜血液进入到植入体材料内,并且允许新骨组织的内生长；内层为盐粒增强的相对致密结构,以保证材料具有较高的承载能力。以不规则镁粉制备的多孔镁支架材料的外层具有较高的孔隙率,而以规则球形镁粉制备的多孔镁支架材料具有更好的压缩强度和弹性模量。采用镁纤维为原始材料,通过铺层热压法(FDHP)制备出孔隙率范围为33-54%的开孔型多孔镁支架材料。该支架具有一个复杂的相互连通的三维网络结构,其孔隙率和孔径分布可通过调节镁纤维的尺寸、纤维间距以及烧结温度、压力等来控制。不同取向(垂直和平行于热压方向)样品的压缩实验结果表明,该法制备的多孔镁表现出明显的力学各向异性。特别是取向平行于热压方向的多孔镁样品,它的孔隙率为48%、孔径为180-300μm、压缩强度和杨氏模量分别达到17.6 MPa和0.22 GPa,其力学性能基本与松质骨相匹配。为了控制纯镁的腐蚀速率并提高其表面活性,在纯镁带表面制备出具有良好生物活性的可降解玻璃陶瓷水泥涂层。首先采用溶胶凝胶法制备出晶相成分为Ca2SiO4·0.05Ca3(PO4)2和Ca2P207生物玻璃陶瓷粉末(BGC)。将BGC粉与(NH4)2HPO4和NH4H2PO4所组成的磷酸溶液分别按照不同液固比(L/S)混合制备出不同BGCC涂层(简称B1-B5),并通过提拉浸渍法涂覆到纯镁带上。当泥浆的L/S为0.8-1.2时,涂层物相成分为HA；当L/S为1.5-2.0时,涂层成分为Ca(NH4)2(HPO4)2·H2O。B1、B2和B3涂覆Mg样品的体外生物活性测试结果表明,L/S的不同对沉积在BGCC涂层上的晶体的生长形貌有着显著的影响：当L／S为0.8时,生成尺寸较小的片状晶体；当L/S为1.0时,生成类球状晶体；当L/S为1.2时,样品涂层表面变得更加平整、致密,晶体形貌也从类球状晶体发展为类板块状晶体。为了能提高BGCC涂层与Mg基体的结合性,本文选择Ca-P涂层作为中间过渡层,分别使用H3P04和HN03调节涂层溶液pH值,通过水合溶液法制备出Ca/P摩尔比分别为Φ1.00和1.00的Ca-P1和Ca-P2涂层。Ca-P2涂层与Mg基体之间的结合性更佳,并且在SBF溶液中表现出更好的稳定性,能够有效地诱导磷灰石晶体沉积。当样品浸泡15天后发现,Ca-P涂层均发生局部脱落现象,表明单一的Ca-P涂层不足以对Mg基体起到长期防腐作用。通过BGC粉与不同浓度的(NH4)2HPO4和Ca(H2PO4)2所组成的磷酸溶液混合制备出三种水泥涂层BGCC1、BGCC2和BGCC3。BGCC涂层的形成机制如下：BGCC涂层是由水泥发生固化后得到的,它的形成主要受BGC粉末中的晶相成分Ca2SiO4·0.05Ca3(PO4)2控制：当粉末与与磷酸溶液混合后,一方面Ca2Si04发生水合反应生成大量Ca2+并使溶液pH值增加,进而促进大量H2PO4-和HPO42-转化为PO43-,最终反应生成CDHA;另一方面Ca3(PO4)2本身也会发生水合反应生成CDHA。为了找到性能最佳的BGCC/Ca-P涂层组合,先后制备了BGCC1/Ca-P1、 BGCC2/Ca-P1和BGCC3/Ca-P2三组复合涂层。涂层BGCC1/Ca-P1和BGCC2/Ca-P1的物相均为HA,BGCC3/Ca-P2的相组成为缺钙羟基磷灰石(CDHA)。体外生物活性测试表明,三种BGCC/Ca-P涂覆Mg样品均表现出优异的生物矿化能力。动电位极化曲线测试结果表明,BGCC1/Ca-P1、BGCC2/Ca-P1和BGCC3/Ca-P2涂覆Mg样品的腐蚀电流密度分别3倍、5倍以及10倍低于未涂覆涂层的纯镁。BGCC3/Ca-P2涂覆Mg样品的综合性能最为优异。
[Abstract]:In this paper , it is hopeful to find an effective surface modification technology to reduce its corrosion rate and improve its biocompatibility .
In order to control the corrosion rate of pure magnesium and to improve its surface activity , the porous magnesium scaffold material with good bioactivity was prepared by using magnesium fiber as the raw material .
When L / S is 1.5 - 2.0 , the coating composition is Ca ( NH4 ) 2 ( HPO4 ) 2 路 H2O . B1 , B2 and B3 coated with Mg sample . The results show that L / S has significant effect on the growth morphology of the crystals deposited on the BGCC coating .
when L / S is 1.0 , spherical crystals are generated ;
In order to improve the binding property of BGCC coating to Mg matrix , the formation mechanism of Ca - P1 and Ca - P2 coatings was studied .
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.08

【参考文献】