骨植入用新型可降解鎂合金材料設(shè)計及生物醫(yī)學(xué)功能研究.pdf

1、鎂合金以其良好的生物相容性、與骨組織匹配的力學(xué)性能以及可以在人體內(nèi)降解吸收等特點，成為一類極具臨床應(yīng)用前景的新型生物可降解（吸收）骨植入材料。目前可降解鎂合金在骨科領(lǐng)域應(yīng)用的研究主要集中在鎂合金的力學(xué)性能、降解行為以及生物相容性等方面，然而對于鎂合金的臨床醫(yī)學(xué)功能研究及其相應(yīng)的材料設(shè)計卻鮮有報道。本文的研究目的是針對某些具有特定生物醫(yī)學(xué)功能的人體微量金屬元素，將其作為合金化元素加入到鎂中，利用鎂合金在生理環(huán)境中降解形成的堿性環(huán)境以及持續(xù)

2、釋放合金元素離子等特點，賦予新型可降解鎂合金促成骨、促血管化和抗細菌感染等多重生物醫(yī)學(xué)功能，并確保其生物安全性和提供植入后的力學(xué)支撐作用，為發(fā)展新型可降解鎂合金及臨床應(yīng)用提供理論支持和實驗證明。為此，本文對兩種新型可降解鎂合金（鎂鍶合金、鎂銅合金）開展了系統(tǒng)而深入的研究，獲得了許多有意義的研究結(jié)果。
　　本文首先在鎂基體中添加具有促進骨骼發(fā)育和類骨質(zhì)形成作用的鍶(Sr)元素，設(shè)計并制備了不同Sr含量的Mg-Sr二元合金(Mg-0.

3、25Sr，Mg-1.0Sr，Mg-1.5Sr，Mg-2.5Sr)。通過研究Sr含量變化對鑄態(tài)、均勻化退火態(tài)和擠壓態(tài)鎂鍶合金的微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，表明鎂鍶合金的微觀組織由α-Mg基體和Mg17Sr2第二相組成，Sr在鎂合金基體中固溶度較小，主要以第二相的形式存在于材料中。鑄態(tài)鎂鍶合金中一部分第二相彌散分布在晶粒內(nèi)部，其余沿枝（晶）界分布。鎂鍶合金經(jīng)過擠壓變形之后，晶粒明顯細化，第二相尺寸減小。與鑄態(tài)鎂鍶合金相比，擠壓態(tài)鎂

4、鍶合金的力學(xué)性能明顯提高，抗壓強度與人體皮質(zhì)骨相匹配，且隨合金中鍶含量的升高先增加后降低（Mg-1.5Sr達到最大值）。鑄態(tài)鎂鍶合金隨著鍶含量的增加，耐腐蝕性先升高后降低，Mg-1.5Sr的腐蝕速率最低。擠壓態(tài)鎂鍶合金耐腐蝕性與鑄態(tài)相比明顯提高。
　　選擇力學(xué)性能和耐腐蝕性能等綜合性能優(yōu)異的擠壓態(tài)鎂鍶合金作為研究對象，通過溶血實驗、細胞毒性實驗、細胞骨架及活死細胞染色實驗、堿性磷酸酶活性檢測實驗、細胞外基質(zhì)礦化及膠原蛋白檢測實驗、

5、內(nèi)皮細胞遷移實驗、體外三維血管化形成實驗、大鼠體外血管環(huán)實驗、成骨和成血管化相關(guān)基因表達檢測實驗、抗菌實驗等，系統(tǒng)全面地對擠壓態(tài)鎂鍶合金的生物安全性和可能具備的特定生物醫(yī)學(xué)功能進行了探索研究。研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)鎂鍶合金不會引起溶血現(xiàn)象，而且滿足外科植入材料的細胞毒性水平要求。在生物功能化方面，擠壓態(tài)鎂鍶合金浸提液對MC3T3-E1細胞的粘附、增殖和分化有明顯的促進作用，其中Mg-1.0Sr和Mg-1.5Sr浸提液的促進作用尤為明顯，而

6、且能夠調(diào)控成骨相關(guān)基因的表達。與此同時，擠壓態(tài)鎂鍶合金浸提液還能夠促進HUVECs細胞的增殖和遷移以及毛細血管網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，能夠調(diào)控血管化相關(guān)基因的表達。此外，擠壓態(tài)鎂鍶合金在生理環(huán)境中降解產(chǎn)生的高堿性對骨科常見的金黃色葡萄球菌具有強烈的殺滅作用。上述研究結(jié)果表明，擠壓態(tài)鎂鍶合金具有良好的促成骨、促血管化以及抗細菌感染等生物醫(yī)學(xué)功能。
　　由于體液的緩沖作用會減弱鎂合金降解產(chǎn)生的堿性環(huán)境，使植入物周圍組織環(huán)境的酸堿度逐漸趨向于人

7、體正常的中性水平，導(dǎo)致堿性環(huán)境抗菌的作用減弱或消失。因此，本文將具有強烈抗菌作用、對人體生物功能有益的銅(Cu)元素添加到鎂中，設(shè)計并制備不同Cu含量的鎂銅合金（Mg-0.03Cu、Mg-0.19Cu、Mg-0.57Cu），希望能夠在堿性抗菌作用的基礎(chǔ)上實現(xiàn)銅離子的協(xié)同抗菌效果。
　　通過研究銅含量變化對鑄態(tài)鎂銅合金微觀組織、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的影響，表明鎂銅合金的微觀組織由α-Mg基體和Mg2Cu第二相組成。隨著合金中銅含量的

8、增加，鑄態(tài)鎂銅合金的晶粒尺寸變化不大，析出的第二相含量增加，彌散強化作用增強，使鑄態(tài)鎂銅合金力學(xué)性能在植入初期能夠滿足骨植入材料的使用要求。鑄態(tài)鎂銅合金在模擬體液中會發(fā)生腐蝕降解，降解速率高于鑄態(tài)純鎂。由于第二相造成的電偶腐蝕作用，鑄態(tài)鎂銅合金的耐腐蝕性隨著銅含量的升高而降低。鑄態(tài)鎂銅合金在降解過程中鎂離子和銅離子不斷溶出，溶出速率在人體能夠承受的范圍之內(nèi)，因此不會影響到生物安全性。
　　溶血實驗和細胞毒性實驗結(jié)果表明，鎂銅合金具