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伴随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,医疗领域对于植入材料的需求也在不断加大。在生物体内,存在广泛的纤维结构物质,大量的医疗设备都需要依靠纤维材料来成型和制备,因此,新型生物医用纤维材料的开发成为国内外学者的研究热点。钨因具有较高的密度、拉伸强度及良好的射线不透性等独特的材料性能而具有应用于生物医疗植入物研究和制备的价值和潜力。钨纤维作为一种新型材料,兼具金属钨本身所独有的优势以及纤维材料的特性,故而具有其特殊的应用价值。本课题以直径为30μm的黑钨、20μm的黑钨、30μm的白钨、20μm的白钨纤维为实验材料,对这4种规格的钨纤维的基本物理性能特征、体外降解行为及生物相容性展开了系统化的研究,探究其作为生物医用材料的可行性。
首先,课题对钨纤维的基本性能,如表面形貌、断裂强度以及物相进行了测试和分析,作为后续实验的研究基础。分析结果表明,在纵截面上,钨纤维表面拉丝的划痕清晰可见,在横截面上,产生特殊的梵高星空图案;4种钨纤维试样的断裂强度高达3400-3700MPa,是普通医用不锈钢丝的断裂强度(600-800MPa)的5倍,具有良好的力学性能;同时,观察到钨晶体的衍射峰,分别对应于钨纹理的特征衍射峰,且黑钨与白钨晶体结构相似,黑钨的峰强大于白钨的峰强。
其次,课题对四种钨纤维材料的体外降解行为进行了系统的研究。通过构建标准无菌与自然环境两种不同的降解环境,研究了钨纤维在这两种环境中的降解行为差异及无菌环境下不同降解液对钨纤维降解行为的影响。从质量损失率、断裂强度、表面形貌、物相、腐蚀产物等方面对钨纤维在标准无菌环境下的降解行为进行对比和研究。结果表明:4种钨纤维在1#PBS和2#PBS降解液中的降解行为无明显差异,表现出较低的质量损失率及较好的力学性能保持性,黑钨的质量损失率比白钨大,且钨纤维的直径越大,其质量损失率越小,而力学性能则相反;在材料表面形貌的变化方面,4种钨纤维在1#PBS降解液中的变化主要表现为表面出现裂纹,而在2#PBS降解液中表面出现黑斑;4种钨纤维的晶体结构较为稳定,经降解处理后未发现新的衍射峰。金属降解过程中会产生腐蚀产物,本课题通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测试了2#PBS降解液中的残留产物的主成分,得出材料溶解于降解液中的元素主要为W、Ca、K、Na、Si;通过质量守恒测试了腐蚀沉淀物在腐蚀产物中的占比,结果为30μm的黑钨的沉淀物占腐蚀产物的7.04%左右,20μm的黑钨占4.23%左右,30μm的白钨占11.35%左右,20μm的白钨占2.34%左右;能谱(EDS)以及XRD物相分析结果表明,在钨纤维的降解过程中,没有氧化钨或其他产物的出现。在自然环境下钨纤维的降解行为与在无菌环境下存在巨大的差异,自然环境下明显降解速度更快,结果表明环境因素是降解速率大幅度提高的原因之一。
最后,对这4种材料的生物相容性进行研究,主要从体外细胞毒性实验、SD大鼠皮下植入实验这两方面展开,结果表明这4种钨纤维的细胞毒性均较小、组织相容性均良好。
首先,课题对钨纤维的基本性能,如表面形貌、断裂强度以及物相进行了测试和分析,作为后续实验的研究基础。分析结果表明,在纵截面上,钨纤维表面拉丝的划痕清晰可见,在横截面上,产生特殊的梵高星空图案;4种钨纤维试样的断裂强度高达3400-3700MPa,是普通医用不锈钢丝的断裂强度(600-800MPa)的5倍,具有良好的力学性能;同时,观察到钨晶体的衍射峰,分别对应于钨纹理的特征衍射峰,且黑钨与白钨晶体结构相似,黑钨的峰强大于白钨的峰强。
其次,课题对四种钨纤维材料的体外降解行为进行了系统的研究。通过构建标准无菌与自然环境两种不同的降解环境,研究了钨纤维在这两种环境中的降解行为差异及无菌环境下不同降解液对钨纤维降解行为的影响。从质量损失率、断裂强度、表面形貌、物相、腐蚀产物等方面对钨纤维在标准无菌环境下的降解行为进行对比和研究。结果表明:4种钨纤维在1#PBS和2#PBS降解液中的降解行为无明显差异,表现出较低的质量损失率及较好的力学性能保持性,黑钨的质量损失率比白钨大,且钨纤维的直径越大,其质量损失率越小,而力学性能则相反;在材料表面形貌的变化方面,4种钨纤维在1#PBS降解液中的变化主要表现为表面出现裂纹,而在2#PBS降解液中表面出现黑斑;4种钨纤维的晶体结构较为稳定,经降解处理后未发现新的衍射峰。金属降解过程中会产生腐蚀产物,本课题通过电感耦合等离子体光谱仪(ICP)测试了2#PBS降解液中的残留产物的主成分,得出材料溶解于降解液中的元素主要为W、Ca、K、Na、Si;通过质量守恒测试了腐蚀沉淀物在腐蚀产物中的占比,结果为30μm的黑钨的沉淀物占腐蚀产物的7.04%左右,20μm的黑钨占4.23%左右,30μm的白钨占11.35%左右,20μm的白钨占2.34%左右;能谱(EDS)以及XRD物相分析结果表明,在钨纤维的降解过程中,没有氧化钨或其他产物的出现。在自然环境下钨纤维的降解行为与在无菌环境下存在巨大的差异,自然环境下明显降解速度更快,结果表明环境因素是降解速率大幅度提高的原因之一。
最后,对这4种材料的生物相容性进行研究,主要从体外细胞毒性实验、SD大鼠皮下植入实验这两方面展开,结果表明这4种钨纤维的细胞毒性均较小、组织相容性均良好。