【摘 要】
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镁合金作为国际公认最有潜力的轻量化材料之一,因其区别于其它传统金属材料具有良好的可降解性而被众多学者广泛关注。但随着研究的深入,人们发现其本身固有的缺陷在很大程度上限制了它在植入物领域的临床应用。镁合金在正常情况下降解速率过快且过程不可控,这会导致其在降解过程中出现明显的皮下组织聚氢现象。为了克服这个缺陷,目前常见的做法是对镁合金做表面改性处理。通过在其表面制备涂层的方法不仅可以很好的提高镁合金的
【基金项目】
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国家自然科学基金(Nos.52061031,32001017);
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镁合金作为国际公认最有潜力的轻量化材料之一,因其区别于其它传统金属材料具有良好的可降解性而被众多学者广泛关注。但随着研究的深入,人们发现其本身固有的缺陷在很大程度上限制了它在植入物领域的临床应用。镁合金在正常情况下降解速率过快且过程不可控,这会导致其在降解过程中出现明显的皮下组织聚氢现象。为了克服这个缺陷,目前常见的做法是对镁合金做表面改性处理。通过在其表面制备涂层的方法不仅可以很好的提高镁合金的耐腐蚀性,在一定程度上涂层还可以给镁合金带来全新的其本身并未具备的功能,这在很大程度上促进了镁合金在生物材料领域的使用。而Mg-Zn合金作为一种简单易得的镁基合金材料,它降解时产生的Mg2+、Zn2+是人体所必需的元素,不会对细胞有毒害作用。因此以Mg-Zn为基底的合金作为一种新型医用生物材料具有广阔的应用前景。本论文利用重力铸造法制备了不同锌含量的Mg-Zn系合金,并对其进行固溶热处理。通过电化学实验选定了其中抗腐蚀性能最好的固溶态Mg-6Zn合金作为基体材料。然后使用效果更好的水热法在选定的合金表面制备了Ca-P预涂层,接着用浸涂法在预涂层上制备了掺杂不同纳米粒子的PCL涂层,以此形成了具有双层结构的复合涂层。最后在双层涂层的基础上,设计并制备了一种具有梯度结构的多层复合涂层模板。并通过X-射线衍射仪、环境电子扫描显微镜、拉伸试验、电化学实验,体外浸泡实验、抗菌实验以及细胞毒性实验等分析了不同类型涂层之间的性能差异。实验结果表明,Mg-Zn合金中锌元素的固溶度最大为6.5wt.%左右,未固溶进基体的残留镁锌相会导致电偶腐蚀现象的产生从而使得合金抗腐蚀性能下降,因此固溶态Mg-6Zn合金是Mg-Zn合金中最佳的基体材料。而对合金进行固溶热处理会使Ca-P预涂层中原位生成氧化锌,这有利于预涂层与基体的结合。同时预涂层本身将PCL涂层与基体之间的结合强度提升了5倍左右,这说明在合金表面优先制备预涂层是非常有必要的,预涂层能够作为中间涂层从而有效地避免PCL涂层的剥落、起泡和屏障效应的丧失。而作为降解周期过长的高分子材料聚己内酯(PCL)来说,纳米颗粒在改善其功能方面具有重要的作用。第一,掺杂HA和Zn O纳米颗粒有助于提高复合涂层的表面粗糙度,这有利于细胞的附着和增殖。第二,复合涂层中多孔结构的形成使其能够在一定程度上通过调节孔隙率来控制基体的降解率。第三,掺杂氧化锌纳米颗粒的复合涂层可以提高镁合金植入物的抗菌性能。其中固溶态Mg-6Zn合金在涂覆Ca-P预涂层和(2wt.%n HA+2wt.%n Zn O)/PCL复合涂层后获得了最佳的综合性能,其抗菌率超过90%,细胞增殖率也接近90%,可作为一种潜在的多功能医用植入材料。实验还表明设计的梯度复合涂层在综合性能方面不弱于其它的双层复合涂层,同时此涂层的成分及结构理论上可以随着使用的要求来进行调整,梯度复合涂层每层结构之间不同的排列组合可以使其具有可调控的抗腐蚀性能。这为医用材料的进一步研究提供了新的思路与方法。
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