可降解医用多孔铁锰合金的制备及耐蚀与生物相容性研究

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相对于锌合金较差的力学性能以及镁合金较快的降解速率,Fe基生物材料由于具有较好的力学性能、生物相容性、安全无毒性,被认为是极具应用潜力的新一代可降解生物移植材料。而多孔Fe-Mn合金具有与骨骼相似的结构,不仅能加速合金的降解,而且有利于骨组织的在移植体中的三维方向生长,因而备受人们的关注。为此,本论文以预合金铁锰粉为原料,采用有机海绵浸渍法成功制备出多孔可降解Fe-Mn合金,并对浆料的配比和海绵的预处理及粉末烧结工艺进行了优化;对多孔Fe-Mn合金的显微组织和力学性能进行了表征,并对其在人体模拟液中的降解性能以及生物相容性的进行了研究。主要内容和结论如下:(1)对海绵前驱体的制备工艺和脱脂工艺进行了优化。结果表明,在预合金铁锰粉粒度小于15μm且质量分数为4g·m L-1,粘结剂聚乙烯醇(PVA)的浓度为6%时,所制备出的金属浆料粘度适当,粉末分散均匀,浸渍后得到的多孔海绵体骨架完整;对聚氨酯海绵表面经羧甲基纤维素(CMC)处理后,海绵体骨架表面得到了粗化,浸渍后的海绵前驱体的力学性能有所提高;对海绵前驱体的热失重曲线进行了测定,确定了其低温脱脂温度为350°C。(2)对Fe-Mn多孔合金的固结工艺进行了优化并对烧结后多孔合金的成分、显微组织与力学性能进行了表征。结果表明,烧结温度对Fe-Mn合金的Mn含量有着重要影响,在1100、1150和1200°C三个烧结温度下烧结得到的合金成分分别为Fe-44Mn、Fe-30Mn、Fe-12Mn;多孔合金具有互连多孔结构,孔隙率约为85%,平均孔径为375~500μm很好地复制了海绵的多孔结构;Fe-44Mn和Fe-30Mn多孔合金主要由γ-奥氏体相组成,而Fe-12Mn合金由α-铁素体相组成;所制备的多孔铁锰合金的屈服强度和弹性模量分别为6~10MPa和0.12~0.37GPa,与人体松质骨力学性能相匹配。(3)对Fe-Mn多孔合金的在模拟体液(SBF)中降解性能进行了研究并对其生物相容性进行了评估。结果表明,随着合金在SBF中浸泡时间的延长,多孔铁锰合金的降解速率逐渐降低,当浸泡时间为14天时,三种Mn含量的Fe-Mn合金,Fe-44Mn,Fe-30Mn和Fe-12Mn降解速率分别为0.0855 mm/y,0.0596 mm/y,和0.0352 mm/y,远高于相同条件下纯Fe的降解速率(0.0185 mm/y);小鼠成骨细胞MC3T3-E1培养实验结果表明,在成骨细胞直接培养7天后,细胞增殖明显,其存活率大于90%,表明所制备的多孔铁锰合金表现出良好的生物相容性。
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