具有生物相容性的Mg--Zn--Sn--Sr材料的降解行为与力学性能研究

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近年来,镁合金由于其可降解性、与皮质骨相似的力学性能以及镁离子的生物相容性,作为可降解材料在骨科植入物中受到了广泛的关注,但镁合金的快速降解限制了其临床应用。同时,临床中与骨再生和感染有关的问题的不断出现,对植入材料的生物功能特性需求日益突显,开发兼具生物功能特性的生物医用材料显得非常必要。本文通过在Mg-1Zn-1Sn的基础上添加微量促成骨元素,在已具有抗菌性Mg-Zn-Sn体系合金的基础上开发合金的促成骨特性,同时在合金表面制备具有生物活性的羟基磷灰石涂层,进一步提升合金的生物相容性和耐腐蚀性,为开发兼具生物功能特性的镁合金可降解骨植入材料奠定基础。
  首先,本文选用Sr元素进行微合金化,并通过热处理和热加工等手段来调控该镁合金的微观组织,研究合金微观组织对合金力学性能和生物降解性能的影响,实验结果表明:铸态合金中随着Sr元素含量的增加,合金组织出现明显的细化,Mg17Sr2相的含量也随之增多,经过热处理和热挤压后,细小的颗粒第二相均匀弥散分布于合金基体,Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金的综合性能最佳,拉伸屈服强度,抗拉强度,断后延伸率分别达到:168MPa,245MPa,9%。合金在Hank’s溶液中的平均降解速率约为0.5mm/y,析氢速率低至0.08ml/cm/d。
  其次,针对综合性能优良的Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金进行生物相容性和促成骨活性评价。采用CCK-8法和活/死细胞染色法评价Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金的细胞毒性,结果表明:Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金材料对细胞无明显毒性作用,能显著促进细胞增殖。激光共聚焦和细胞直接粘附实验都表明,细胞与合金具有良好的亲和力,细胞铺展良好。ALP和AR染色实验表明,Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金具有最佳的促成骨活性,成骨细胞分化十分明显。可见Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr系镁合金在骨科修复材料领域具有巨大的发展潜力。
  最后,为了进一步提升Mg-1Zn-1Sn-0.2Sr合金的耐蚀性能,优化合金碱浸处理工艺和化学沉积的手段,在合金表面制备羟基磷灰石涂层。电化学和浸泡实验表明,碱浸处理在合金表面预制的Mg(OH)2层对合金具有保护性。在镁合金基体制备出羟基磷灰石涂层后,合金的自腐蚀电流密度显著降低,阳极极化曲线的钝化区间明显增大,合金的阳极降解得到明显的抑制,其中经过6小时羟基磷灰石涂层处理的合金试样,在Hank’s溶液中基本保持14天不降解。
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