【摘 要】
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在口腔咽喉部吻合外科手术领域中,机械自动化吻合技术正在飞速发展,而深喉部手术可以用更简便的自动吻合器替代手工吻合线。与之配合的吻合钉则需要使用可降解的材料,以避免长时间残留导致的各种问题。基于此,本文通过优化合金成分设计,调整铸造、挤压、拉拔及热处理工艺,制备了一种新型吻合钉用Mg-Zn-Ca-X高强韧可控降解镁合金吻合钉材料。通过先进的材料表征手段及分析测试方法,系统研究了合金化元素对Mg-Zn
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在口腔咽喉部吻合外科手术领域中,机械自动化吻合技术正在飞速发展,而深喉部手术可以用更简便的自动吻合器替代手工吻合线。与之配合的吻合钉则需要使用可降解的材料,以避免长时间残留导致的各种问题。基于此,本文通过优化合金成分设计,调整铸造、挤压、拉拔及热处理工艺,制备了一种新型吻合钉用Mg-Zn-Ca-X高强韧可控降解镁合金吻合钉材料。通过先进的材料表征手段及分析测试方法,系统研究了合金化元素对Mg-Zn-Ca基合金组织演变、织构形态及其力学与降解性能的影响规律,选择典型的Mg-Zn-Ca-Ag合金制备了镁合金丝材并评价了其力学性能、降解性能和生物相容性,重点研究了该系列合金的强韧化机理与腐蚀机理。具体内容如下:首先制备了 Mg-Zn-Ca基础合金,分析了 Zn、Ca元素对Mg-Zn-Ca合金组织性能的影响。结果表明:铸态Mg-Zn-Ca合金主要由α-Mg相、Mg2Ca相或Ca2Mg6Zn3相组成。Zn和Ca元素对Mg-Zn-Ca合金均有明显的晶粒细化作用,但过量添加Zn和Ca元素会使得析出的第二相富集在晶界处形成网状裂纹源,造成合金的强韧性明显下降。合金挤压变形后,晶粒经过破碎和动态再结晶逐步转变为细小的等轴晶粒。挤压态Mg-1.0Zn-0.2Ca合金的综合性能最好,合金的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为230 MPa、167MPa和27.1%,腐蚀速率为1.23mg/cm2/天。为了进一步提高Mg-Zn-Ca基合金的综合性能,系统研究了 Sn、Mn、Zr、Ge和Ag等合金化元素对Mg-Zn-Ca基合金微观组织、力学与降解性能的影响规律。在挤压态Mg-Zn-Ca基合金中,合金元素Sn、Mn、Zr、Ge和Ag的添加均能提高合金的强度,主要强化相分别为Mg2Sn、α-Mn、α-Zr、Mg2Ge和Ag17Mg54相,能起到钉扎位错的作用。Mn、Zr、Ge元素都能提高合金的基面织构强度。通过PSN机制的影响,大量析出相的析出使得Mg-Zn-Ca-Ag合金基面织构弱化。由于第二相和基体的电偶腐蚀增多,Sn元素和Zr元素能增加Mg-Zn-Ca合金的降解速率;而由于减少了杂质对镁合金的不利影响,少量的Mn元素能减小Mg-Zn-Ca合金的降解速率;由于降低了析氢端的交换电流密度,Ge元素能大幅降低合金的降解速率。Ag元素固溶后可以提高基体电位,抑制点蚀。过量Ag会造成大量第二相析出,形成多组电偶对,破坏了腐蚀产物膜,加速腐蚀速率。此外,随着Ag元素添加,Mg-Zn-Ca基合金出现了锥面＜a+c＞滑移和基面滑移同时启动的现象,具有明显的固溶增塑效果。这是由于Ag元素导致晶轴比的改变、层错能的降低和晶粒细化作用,缩小了基面与锥面滑移的CRSS之间的差距,非基面滑移更容易启动。这种固溶增塑现象在Ag含量较低时更为突出。进一步地,我们以Mg-Zn-Ca-Ag合金为基础,通过挤压棒的冷拉拔变形和后续退火处理,制备出新型可控降解镁合金吻合钉,分析表征了吻合钉用Mg-Zn-Ca-Ag合金的微观组织和性能。结果表明:Mg-2Zn-0.2Ca-2Ag合金经过冷拉拔后,抗拉强度达到了 412MPa,冷拉态合金组织由大量的变形组织和少量纳米晶组成,主要强化方式为细晶强化和位错强化。而经过退火后,析出了等轴再结晶晶粒,并发生了长大。拉拔和退火态合金的主要强化相为纳米Ag17Mg54相。Mg-2Zn-0.2Ca-2Ag合金降解速率较快,在模拟人体体液SBF中7天以内能完全降解,而在人工唾液中,由于致密的Ca-P氧化层和CaCO3产物附着替代了 Mg（OH）2氧化膜,产生了明显钝化效应。生物相容性实验表明,该新型合金丝材的溶血率符合标准,细胞毒性合格。综合以上研究,本论文设计制备出了一种高强韧可控降解的Mg-2Zn-0.2Ca-2Ag镁合金吻合钉,抗拉强度达到340MPa,延伸率大于10%,在SBF中7天以内能完全降解,生物相容性满足医用要求。本研究为口腔咽喉部外科手术机器人的自动吻合奠定了良好的材料基础。
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