论文部分内容阅读
锌的电极电位介于镁和铁之间,腐蚀速率应该略快于铁而慢于镁,以之用作医用可降解金属材料应更符合临床需求;同时,锌具有较好的生物学效应,是人体必需的微量元素,参与人体新陈代谢,涉及到DNA、RNA和转录因子等的合成。因此,开发锌作为新型医用可降解金属材料为医用可降解材料的研究与开发提供了一个全新的方向。本论文工作正是基于这种考虑,发展锌及锌-镁基合金作为可降解金属材料,并对其成型工艺、微观结构、力学性能、降解特性、血液相容性及细胞毒性进行了系统研究。首先评价了纯锌作为医用可降解金属材料的体外性能。研究发现,轧制处理使纯锌的拉伸强度和塑性显著提高,其中6N纯锌的性能分别提升至108.67 MPa和70.31%,而对硬度的影响有限。轧制处理还会影响纯锌的电化学腐蚀性能,轧态6N纯锌表现出最高的电化学腐蚀速率。纯锌还表现出了较好的亲水性和血液相容性,轧态纯锌的浸提液对L929细胞表现出了极大的毒性,而稀释后的浸提液对其无毒性作用,甚至还有一定的促进细胞生长及增殖的功能。此外还发现,6N纯锌支架用细径薄壁管材在拉伸性能、硬度及径向支撑力上,比4N纯镁管材逊色,但其腐蚀速率较慢,30天时其管材仍保持完整;6N纯锌的血液相容性良好,对红细胞无明显的破坏性影响;ECV304细胞和VSMC细胞的相对活性在75%以上,对6N纯锌表现出了一定的耐受性。在研究中发现,纯锌用于医用可降解金属支架材料具有极大的优势,但其力学性能,特别是强度和硬度有待于进一步提升。其次,基于纯锌的强度和硬度有待于进一步提升的认识,选择营养元素Mg进行合金化来开发Zn-Mg二元合金。研究发现,合金的显微组织由粗大的树枝晶和共晶组织组成,且随着Mg含量的增多,树枝晶逐次变少。Zn-Mg合金的强度和硬度得到显著的提升,但延伸率随着Mg含量的增多而逐渐降低;Zn-Mg合金表现出易腐蚀倾向,具有更高的电化学腐蚀速率。热轧和热挤压处理可以显著提升合金的力学性能,其中Zn-0.5Mg合金的屈服强度（YS）、抗拉强度（UTS）和延伸率（EL）分别提升至142.21MPa、237.58 MPa和40.96%,Zn-1Mg合金提升至181.42 MPa、289.36 MPa和35.60%;Zn-1.2Mg合金则提升至219.61 MPa、362.64 MPa和21.31%。热加工处理还对Zn-Mg合金的腐蚀速率也有所提升。Zn-Mg合金表现出良好的亲水性和血液相容性,Mg的加入及热加工处理未对其血液相容性带来不利的影响。HOS细胞和MG63细胞对稀释的Zn-1.2Mg合金浸提液表现出了较好的耐受性,低浓度的浸提液甚至促进了MG63细胞的增殖。随后,基于Zn-Mg合金的优异性能,引入人体骨的无机组成元素Ca和Sr,设计了Zn-Mg-X（X=Ca、Sr）三元合金。研究发现,在Zn-Mg合金中引入少量的Ca或Sr后,会在树枝晶间形成了棱角分明的含CaZn13相的析出物及栅栏状结构的含SrZn13相的析出物,且添加量增大时,析出物数量增多。添加Ca或Sr后,可以提升合金的强度和硬度,且添加量增大时强度增加明显,但由于生成了更多的脆性相而导致合金的塑性降低;Ca或Sr还可以提高合金的腐蚀速率,且添加量增大时,腐蚀速率增大;但对其血液相容性无明显影响,三元合金均表现出了较好的血液相容性。此外,热轧处理可以显著提升Zn-1Mg-0.1Ca和Zn-1Mg-0.1Sr合金的力学性能和降解速率,其中轧态Zn-1Mg-0.1Ca合金表现出了更为优异的力学性能（YS 209.04 MPa、UTS 331.51 MPa和EL 35.43%）,以及较高的腐蚀速率,血液相容性良好,且3T3细胞和MG63细胞对其稀释后的浸提液具备耐受性,说明具备良好的细胞相容性。结果显示,轧态Zn-1Mg-0.1（Ca、Sr）合金表现出了良好的力学性能、腐蚀降解特性和生物相容性,可以考虑用作医用可降解骨科植入材料。最后,在Zn-1Mg和Zn-1.5Mg的优选性能的基础上,微合金化引入对骨骼和心血管均有利的元素Mn。研究发现,加入Mn后,形成富Mn的共晶组织,但合金化引入Mn的量较少,在XRD结果提示并没有富Mn相析出。由于加入Mn的量少,对其力学性能改善不显著;但对其腐蚀性能却有明显的影响,可能形成了低电位（ζMn）相,增强了合金的易腐蚀倾向;同时其溶血率也有所增大,但仍低于5%,并没引起对血液成分的破坏。此外,热轧处理使Zn-1Mg-0.1Mn合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率及硬度得到显著提升,分别提升至195.02 MPa、299.04 MPa、26.07%和107.82 HV;轧态Zn-1Mg-0.1Mn合金还表现出了较高的腐蚀速率、良好的血液相容性;ECV304细胞和MG63细胞对其表现出了较好的耐受性,3T3细胞对其稀释后的浸提液也具备耐受性,细胞毒性的结果提示轧态Zn-1Mg-0.1Mn合金对细胞无明显毒性作用;可以考虑在可降解支架、可降解骨科植入螺钉和可降解吻合钉等医疗器械中的使用。本论文初步完成了锌及锌-镁基合金材料的设计与性能评估,其结果无疑是令人满意的。锌基材料优异的力学性能、适宜的降解速率和良好的生物相容性,用之于医用可降解金属植入材料具有较大的应用潜力。但距离真正实施到临床应用中尚需体内试验的详细论证,特别是涉及到具体产品的动物实验与临床试验,还需要去完善与跟进。