应力作用下骨植入镁合金体内外降解行为研究

发布时间：2020-05-21 21:26

【摘要】：镁合金具有可降解性、良好的生物相容性和力学相容性、骨诱导作用等,近年来成为骨植入材料的研究热点。但是,镁合金降解速率过快,与骨愈合速率不匹配,在骨损伤未完全愈合时,镁合金由于降解导致力学性能迅速衰减而无法起到支撑作用,从而致使植入失败。因此,解决镁合金降解速率与骨愈合速率不匹配的问题将是镁合金大规模投入临床医用的关键。本文采用课题组自主开发的力学性能和耐蚀性能良好的Mg-Zn-Y-Nd-Zr挤压态合金,首先对其在体外SBF中和体内SD大鼠胫骨骨髓腔内的降解行为及由于降解而导致的力学性能的变化进行研究,以了解镁合金的力学性能演变规律;而后研究了其在SBF中的应力腐蚀断裂行为,以考察本文所用镁合金的应力腐蚀断裂敏感性;最后研究了该合金在流动的SBF中轴向循环压应力下的降解行为并验证了轴向循环压应力对骨愈合的促进作用。该研究为解决镁合金的降解速率与骨愈合速率不匹配的难题提供了新的解决思路。(1)镁合金在SBF中浸泡不同时间的降解产物的形状都是块状的,降解产物中均含有C、O、Ca、P、Mg、Zn、Nd元素,浸泡前14d内,镁合金表面的点蚀坑尺寸相对较小、分布均匀,抗拉强度和延伸率与未浸泡的参照样相比没有出现明显的下降,浸泡14d后抗拉强度和延伸率分别下降17.4%和17.6%,浸泡21d后镁合金表面的小点蚀坑发展成为尺寸更大、深度更深的腐蚀坑,由此导致其力学性能迅速衰减,浸泡28d后腐蚀坑进一步扩大,浸泡28d后抗拉强度和延伸率分别下降了 24.8%和60%。断裂类型由前14d的韧性断裂为主的混合型断裂转变为浸泡21d和28d后的准解理断裂为主的混合型断裂。(2)镁合金在SD大鼠骨髓腔内的降解与在SBF中相比更加均匀,植入28d后表面仍未见大的腐蚀坑,其降解速率比在体外SBF中的小3到5倍,最大弯曲载荷随植入时间的延长而逐渐均匀的减小,植入28d后下降39.8%。(3)本文所用Mg-Zn-Y-Nd-Zr挤压态合金在SBF中对应力降解断裂敏感性不高,作为骨植入材料在植入期间无需重点防护其应力腐蚀断裂。(4)轴向循环压应力没有改变镁合金在SBF中的降解产物形貌;在前14d应力对镁合金降解速率的影响较大,21d后影响减弱;实验28d后,三个应力(1500με、3000με、4500με)下镁合金的抗拉强度分别下降了 25.5%、38.3%和29.4%,延伸率分别下降了58.6%、69.3%和65.6%。(5)将镁合金骨髓针植入到SD大鼠胫骨骨折部位,不受力组术后28d骨折线仍清晰可见,愈合缓慢,而受力组术后7d已有明显的骨痂生成,骨折线模糊,随着受力时间的累积,骨痂进一步生长,应力促进了骨折的愈合。本研究从提高骨愈合速率的角度出发,采用施加应力的手段来解决镁合金的降解速率与骨愈合速率不匹配的问题,为镁合金的临床应用提供了新的解决思路,并为在模拟生理应力下镁合金的降解提供了理论指导。
【图文】：

尺寸图,疲劳试样,拉伸试样

２．１．１拉伸试样的制备逡逑采用课题组自主开发的Ｍｇ－Ｚｎ－Ｙ－Ｎｄ－Ｚｒ挤压态合金，标准拉伸试样的尺寸逡逑如图２．１所示，试样机加工好后，用１００＃至１０００＃砂纸依次打磨，打磨完成后用逡逑抛光剂抛光，然后在无水乙醇中超声清洗５ｍｈ，清洗后用去离子水冲洗，之后逡逑在真空干燥箱中干燥后备用。逡逑ｎ逦＾逦４——逡逑ｉ－ｌ逦广逦＾逦逡逑＾逦３０逦＾逦＾逦３０逦＾逦１逡逑图２．１拉伸试样尺寸图逡逑２．１．２疲劳试样的制备逡逑用于循环压应力实验的标准疲劳试样的尺寸如图２．２所示，其处理方式与逡逑２．１．１节相同，处理后备用。逡逑「Ｉ逦１邋逦＾逦！逡逑５逦二邋Ｉ逦Ｉ邋二爸逡逑Ｊ＿ｌ逦＾逦逡逑＾逦３０逦＾逦２０邋ｔ逡逑图２．２疲劳试样的尺寸图逡逑２．１．３骨髓针的制备逡逑骨髓针用线切割机沿着挤压方向切成直径１．１＿、长度５５ｍｍ的试样，其逡逑处理方式与２．１．１节相同，处理后备用，动物实验试样尺寸如图２．３所示。逡逑＇邋１２逡逑

慢应变速率拉伸,应力腐蚀断裂,试样,镁合金

２．４慢应变速率拉伸实验逡逑考察镁合金的应力腐蚀断裂（ＳＣＣ）的敏感性。根据国家标准ＧＢ／Ｔ邋１５９７０．７－逡逑２０００《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验》实施实验。试样尺寸如图２．１所示，，逡逑除标距段其余部分用硅胶封装，以保证只有标距段与ＳＢＦ接触，避免其他因素逡逑对实验的影响。ＳＢＦ的温度设定在３７°Ｃ，为了模拟体内生理介质的流动特性，逡逑用蠕动泵使ＳＢＦ持续的动态循环，同时还能避免ｐＨ值在标距段的局部累积上逡逑升。使用ＭＴＳ伺服液压实验机进行慢应变速率拉伸测试。实验装置如图２．４所逡逑示。拉伸速率为１．２５Ｘ１０－Ｖ１和ｌＪＳｘｌＯ－Ｖ１，直到将试样拉断停止实验，记录逡逑试样的抗拉强度和延伸率。在空气中以相同的拉伸速率进行测试，与ＳＢＦ中的逡逑１４逡逑
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08;TG146.22

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