骨科用生物可降解镁合金材料研制及骨科相关生物学功能研究

发布时间：2020-04-17 03:34

【摘要】：目的:医用镁合金作为一种可降解的骨科生物医用材料具有十分光明的临床应用前景。但是目前镁合金为医用材料在应用上存在的最大的障碍就是它腐蚀速度过快,而且腐蚀时会伴有大量气体产生,这大大限制了镁合金的开发和应用。从骨科学角度讲,镁合金的力学性能、降解性能及生物相容性等方面的研究是在骨科领域应用的研究热点。尽管有很多报道或文献使人们对生物可降解镁合金成为骨科新一代内植物材料的前景抱有期望,但目前并无可降解镁合金产品,说明其还需要改进和研究。本论文的研究思路是通过分析选择合金成分,通过合金化设计和制备,在镁基体中添加其他特定合金化元素,来观察其性能的变化,对可降解镁合金力学性能、腐蚀性能、生物相容性、降解产气、毒性等多个方面进行研究和观察,选择或评价各个特性及其结果,为今后的可降解镁合金设计、制备及研究方式选择打下基础,提供可靠依据,为可降解镁合金的研发和应用提供力所能及的支持。方法:(1)镁合金材料成分设计制备及性能研究,从医学和冶金学两方面考察各种合金元素的作用,分析并选定合适的合金元素,通过铸造的方式来制备生物医用镁合金;通过研究镁合金的微观组织、力学性能和耐腐蚀性能,来评价各组分镁合金的性能优劣。(2)镁合金材料体外实验中,通过溶血性研究和细胞毒性研究,进一步评价镁合金的生物相容性中的血液相容性和细胞毒性,并作为筛选镁合金进入下一阶段研究的依据。(3)镁合金材料体外实验中,通过抑菌实验研究来探讨和评价镁合金材料的抗感染潜力及其特点。(4)镁合金材料体内实验中,通过大体观察、血液生化检查及影像学检查等方法,系统观察分析镁合金产气现象。(5)镁合金材料体内实验中,通过血液生化检查及等方法,研究分析在体镁合金对组织、器官的毒性作用。(6)镁合金材料体内实验中,通过病理学检查及扫描电镜实验等方法,研究分析在体镁合金对周围组织的炎症影响和纤维膜形成情况。(7)镁合金材料体内实验中,通过扫描电镜实验方法,研究分析在体镁合金降解模式。(8)镁合金材料体内实验中,通过大体观察、影像学检查及病理学检查等方法,研究分析在体镁合金对周围对骨性结构生成情况的影响。结果:(1)铸态合金的晶粒尺度在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(钙在镁中的固溶体)和Mg_(24)Y_5、CaZn_3相组成。其中α-Mg相是基体,Mg_(24)Y_5、CaZn_3相主要集中在晶界处,Mg_(24)Y_5、CaZn_3相的数量及形态不同导致了各成分合金性能的差异。(2)对合金的显微硬度测试发现镁合金I、镁合金II、镁合金III树枝晶区(暗区)和两相区(亮区)显微硬度逐渐增加,以镁合金III树枝晶区(暗区)和两相区(亮区)显微硬度最大,为108±6.2Mpa和154.4±5.5Mpa。(3)对合金的拉伸力学性能进行了测试,发现合金的屈服强度和抗拉强度随含锌量的增加而增大。镁合金III的屈服强度和抗拉强度最大,分别达到了85.6Mpa和143 Mpa,伸长率达到14.9%。(4)各组镁合金压缩弹性模量均接近45GPa,最大压缩模量、抗压强度和压缩屈服点则分别达到53 GPa、272 MPa和113 MPa。但仍较纯镁略高,而未能接近骨的弹性模量(20GPa)。(5)Mg的标准电极电位-2.375 V,镁合金II和镁合金III在Hank's溶液中的腐蚀电位(-1611mV和-1503mV)和极化电阻(0.119/KΩ和0.123/KΩ)均高于镁合金I(-1654mV和0.051/KΩ),而腐蚀速率(8.46×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1)和6.69×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1))均低于镁合金I(25.4×10~(-5)/g·cm~(-2)·h~(-1))。(6)镁合金I的浸提液浓度分别为100%、75%、50%和25%时溶血率5%,发生溶血反应,而浸提液浓度≤10%时,溶血率5%,无溶血反应;镁合金II和镁合金III组的溶血率均达到5%的要求。(7)采用MTT比色法研究镁合金II和镁合金III的细胞毒性,结果显示镁合金II和镁合金III毒性分级均为0级和1级。(8)镁合金II和镁合金III可对Eco2表现出抑菌性能,抑菌环最大直径分别为23.25±0.343mm和23.10±0.415mm,具有明显选择性。(9)在产气现象方面,镁合金各组间没有明显的区别,软组织包埋的镁合金II和镁合金III试件产生少量或未产生气泡,植入股骨干的镁合金II和镁合金III试件于股骨表面未产生气泡,而在股骨髓腔内则都产生了气体。(10)综合血液、生化检查及重要脏器病理结果来看,镁合金II和镁合金III均未对血液系统、心脏、肝脏和肾脏产生明显的毒性作用,尤其肝脏。(11)炎症细胞反应评级和纤维囊评级中,钛合金、镁合金II和镁合金III,2w时炎症细胞反应评级和纤维囊评级均为III级,4w时均减为II级,进一步的扫描电镜结果显示镁合金II的纤维膜厚度平均值接近钛合金和镁合金III纤维膜厚度的2倍,而镁合金III和钛合金基本持平,约100μm,而大于30μm。(12)股骨的愈合以骨痂修复为主,股骨干形成的外骨痂明显,而影像学证实内骨痂形成受影响,植入物接触面钛合金、镁合金II和镁合金III组均有新生骨小梁形成,进一步BMP-2免疫组化染色结果显示镁合金II和镁合金III在2w和4w时与钛合金对比P值0.05,而8w和12w时P值0.05。结论:(1)选定了锌、钙、钇为合金元素。采用熔铸的方法制备三种铸态镁合金。镁合金组织分析,铸态合金的晶粒尺度在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(钙在镁中的固溶体)和Mg_(24)Y_5、CaZn_3相组成。(2)显微硬度测试、拉伸力学性能测试和腐蚀性能测试的结果均为镁合金III的各相性能优于其他两个组分的镁合金;而压缩性能测试的结果未能成功接近骨的压缩性能。(3)溶血性实验表明镁合金I的溶血率存有5%的情况存在,发生溶血反应,需要筛除镁合金I;镁合金II和镁合金III组的溶血率可以达到5%的要求。镁合金II和镁合金III得以保留。镁合金II和镁合金III与镁合金I所表现出的差异应该与其腐蚀电位、极化电阻和腐蚀速率差异相符合,我们认为腐蚀电位、极化电阻和腐蚀速率是非常有价值的研究镁合金性能的切入点,对镁合金的设计制造和生物学性能评价均有重要意义。(4)MTT比色法研究镁合金II和镁合金III的细胞毒性,结果显示镁合金II和镁合金III无明显的细胞毒性,符合生物医用材料的要求。(5)镁合金II和镁合金III确实表现出了抑菌性能,明显具有选择性,这种选择性抑菌性能很可能与钇元素的加入有关。(6)在产气现象方面,镁合金各组间没有明显的区别,软组织包埋的镁合金II和镁合金III试件产生少量或未产生气泡,植入股骨干的镁合金II和镁合金III试件于股骨表面未产生气泡,而在股骨髓腔内则都产生了气体。(7)综合血液、生化检查及重要脏器病理结果来看,镁合金II和镁合金III均未对血液系统、心脏、肝脏和肾脏产生明显的毒性作用,尤其肝脏。(8)炎症细胞反应评级和纤维囊评级中,镁合金II和镁合金III,及镁合金与钛合金间没有明显区别,进一步的扫描电镜结果显示镁合金II的纤维膜厚度平均值接近钛合金和镁合金III纤维膜厚度的2倍,而镁合金III和钛合金基本持平,约100μm,但仍未达到临床应用的要求。(9)股骨的愈合以骨痂修复为主,股骨干形成的外骨痂明显,而影像学证实内骨痂形成受影响,植入物接触面钛合金、镁合金II和镁合金III组均有新生骨小梁形成,进一步BMP-2免疫组化染色结果显示镁合金II和镁合金III短期内可提高BMP-2表达,对成骨有促进作用。
【图文】：

铸型,覆盖剂,熔融金属,模具

第二章镁合金材料设计及性能研究融化，温度恢复至 760℃，取出坩埚，加入另一块镁块，有孔一端向下，被熔融状态镁包裹。随即将加热温度设置为 840℃，然后在 780-810℃条件下保持液态合金 20 min。加热过程中如有燃烧现象，应及时补撒覆盖剂。(6)浇注。熔融金属液最终浇注进一个规格为 90×45×12mm 的铁质模具，浇注前须将模具预热至 200℃。待步骤(5)完成后，取出模具，将盛有熔融金属液的坩埚取出，滤掉覆盖剂残液，进行浇注。浇注中后期，速度不宜太慢，否则浇注不足。待温度降到 300℃以下，取出铸锭。其中，，铸型如图 2.1 所示：

镁合金,铸态组织,铸态

第二章镁合金材料设计及性能研究表 2.4 铸态镁合金实际成分元素镁合金 I 镁合金 II 镁合金 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 铸态镁合金组织分析图 2.2 中是各种合金的铸态组织的金相照片，结合镁合金的金相图对其进行分析，可以得到如下结论。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08

【参考文献】