医用可降解锌合金（Zn-1.2Mg-0.1Ca）的机械性能、降解性能和生物相容性研究

发布时间：2018-11-15 15:19

【摘要】：第一部分:医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制备及机械性能研究背景:永久金属内植物一旦进入人体,会缓慢释放金属离子,引起周围组织和器官的炎症反应。因此,在达到固定治疗目的后,部分患者需要二次手术将内植物取出,由此不仅会给患者带来身体上的痛苦,还会带来经济负担。生物可降解金属具有较好的机械性能和生物相容性,同时具有生物可降解性,近些年来逐渐进入研究者视线。镁及其合金的机械性能与正常骨组织相似,且降解后产生的离子具有较高的生物相容性,因此受到了极大的关注。但是,镁基合金最大的缺点在于降解速度过快,不能在骨愈合前完成其固定的目标。锌及其合金以其金属惰性及相似的机械性能,成为新的选择。此外,锌是人体必需元素之一,在人体的新陈代谢过程中起到很大的作用。根据现有的文献得知,Mg是增强金属锌机械性能的一种有效的合金化元素,并且镁元素的质量百分比在0.93%和1.55%时表现出了较好的强度和硬度。另外,Ca是人体必需的生命元素,也是人体中含量最为丰富的金属元素,99%存于牙齿和骨骼中,维持牙齿和骨骼的支撑作用,同时Ca还是一种重要的合金化元素,被用来改善锌及其合金的力学性能。目的:制备了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用热轧处理的方式对综合学性能进一步提升,研究了热轧处理对Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的微观结构及力学性能的影响。方法:实验采用纯锌、纯镁和纯钙由CO2气氛保护,在460oC-480oC条件下,熔炼成为Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用电感耦合等离子体原子发射光谱法测得合金的成分为Zn-1.13Mg-0.11Ca(wt.%)。同时,制备了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金热轧板。此外,使用X射线衍射分析仪和电镜,对合金试样进行扫描,观察其微观组织及物相结构;并将铸态和轧态锌合金加工成拉伸试样,在万能材料力学试验机上进行室温拉伸性能测试;使用扫描电镜观察拉伸试验测试后的样品断口形貌;在显微硬度计上进行显微硬度测试。结果:Zn-1.2Mg-0.1Ca合金因Ca的引入会在树枝晶间形成菱角分明的Ca Zn13相,会提升合金的强度和硬度,且轧制处理后,微观组织呈现一定的取向,共晶组织和析出物沿晶界排布,使其表现出较为优异的力学性能。结论:通过Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制备及实验研究证明,轧Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相对较好的机械性能,可作为新的医用可降解材料,应用于后续的研究。第二部分:医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体外降解及体外生物相容性研究背景:金属相对于聚合物材料及陶瓷,具有较高的强度及硬度,因此作为一种生物医学材料,被广泛的应用在骨科内植物中。但是,传统的生物金属材料如不锈钢、钴铬合金、及钛合金,具有较高的抗腐蚀能力,被作为永久内植物,应用于人体。一旦进入人体,植入物可能释放金属离子,引起周围组织和器官的炎症反应。因此,在达到固定治疗目的后,部分患者需要二次手术将内植物取出,由此不仅会给患者带来身体上的痛苦,还会带来经济负担。医用可降解金属具有较好的机械性能和生物相容性,同时具有生物可降解性,近些年来逐渐进入研究者视线。镁及其合金的机械性能与正常骨组织相似,且降解后产生的离子具有较高的生物相容性,因此受到了极大的关注。但是,镁基合金最大的缺点在于降解速度过快,不能在骨愈合前完成其固定的目标,目前仍处于研究阶段。与镁合金相比,锌及其合金以其金属惰性及相似的机械性能,成为新的选择。此外,锌是人体必需元素之一,在人体的新陈代谢过程中起到很大的作用。通过以上因素综合考虑,锌可以作为可降解金属的一份子。但是,研究发现,纯锌的机械性能较差,无法直接加工成为内植物设备。因此,合金化处理增加锌的机械性能,成为了必不可少的过程。第一部分实验证明,热轧的合金具有相对较好的机械性能,该部分实验通过对该合金的腐蚀性能、血液相容性及细胞毒性的研究,观察其体外降解行为及体外生物相容性。目的:制备了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金,并使用热轧处理对其综合学性能进一步提升,探究了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的腐蚀性能、血液相容性及细胞毒性。方法:通过电化学测试及浸渍实验对合金的体外降解性能进行评估;通过水接触角实验,评价了合金的亲疏水性;通过溶血率测试、血小板粘附实验,评价合金的血液相容性;通过细胞毒实验评估细胞对合金耐受性。结果:1、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有较为理想的腐蚀速率,电化学实验结果提示轧态Zn-1.2Mg-0.1Ca合金腐蚀速率为0.250 mm/year,浸泡实验的结果显示其腐蚀速率为0.103 mm/year;2、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金表现出了亲水性,其溶血率远低于5%,不致引发对血液成分的破坏,且血小板粘附性能较佳,不会造成血液凝聚,综合表现出良好的血液相容性;3、Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体外细胞毒性结果提示,MG63细胞对合金表现出较好的耐受性,3T3细胞对其稀释后的浸提液具备耐受性,并无明显的细胞毒性作用。结论:通过以上实验证明,Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有适当的腐蚀性和体外生物相容性。该合金可以作为新的生物可降解材料,应用于后续的研究。第三部分:医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体内降解及生物相容性研究背景:对于生物材料的生物相容性的评价方法,总体上可分为三阶段:体外生物相容性实验、体内生物相容性实验和临床试验。通过前两部分的研究已经证实,轧态Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相对较好的机械性能和适当的腐蚀速率的同时,也具有良好的体外生物相容性。该部分研究,为了进一步观察轧态Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的植入动物体内后,其生物学性能的变化,了解其与体内物质及微环境的相互作用和影响,以及其在体内降解的变化过程中对骨与周围组织的影响。该部分对轧态Zn-1.2Mg-0.1Ca合金进行进一步的体内生物相容性试验。体内生物相容性试验将实验材料植入动物体内,评价实验动物的组织器官对试样的生物学反应。至今为止,体内生物相容性实验仍然是研究机体对生物材料反应的主要手段之一。目的:研究合金在新西兰白兔体内生物相容性与安全性方法:将轧态Zn-1.2Mg-0.1Ca合金和WE43镁合金(作为参照),制成柱状试样,植入新西兰兔股骨髁部骨髓腔内。定期抽血监测镁离子及锌离子浓度浓度;通过生化检测,结合重要组织的切片观察,评价肝肾功能的变化;通过Micro-CT扫描与硬组织磨片观察,评估两种合金在兔体内的降解情况及相容性。结果:实验材料植入后兔生命体征平稳,手术区域干燥,无红肿及感染化脓现象,未出现死亡现象。2个月取材时两组实验动物手术创口愈合良好,未发现明显皮下气泡。4个月时间点取材时,兔股骨髁种植材料处愈合较好。术后X线片观察,假体安装位置一周后,进行X线扫描观察,假体位置合适,位于骨髓腔中。外周血生化检测证明兔的肝肾功能未受到影响,结合重要器官切片HE染色,证明兔的心脏、肝脏、肾脏及脾的结构及功能均未受到明显影响。Micro-CT扫描发现相比于镁合金,锌合金降解速度较慢,周围有少量骨形成,气体空腔较少。硬组织磨片发现锌合金棒材周围有少量骨形成。结论:1、将锌合金植入新西兰兔骨内,具有较低的腐蚀速率,在术后32周可以在骨愈合期间内提供足够的力学支撑;2、锌合金与骨组织交界面无炎性细胞浸润,无界膜样物质形成,在体内能与骨组织有良好的结合力,并能促进新骨形成;3、锌合金植入动物骨内后对外周血锌、肝肾功能等无影响;4、术后新西兰兔心、肝、肾等组织形态学上细胞结构无改变,说明锌合金对机体重要组织具有良好的生物相容性和生物安全性。
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【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R318.08;R68
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本文编号：2333667