可降解镁合金血管支架的制备、表面改性及其性能研究

摘要

在冠状动脉血管分支处的动脉粥样硬化（冠心病）和脑血管狭窄（脑血栓）产生的心脑血管疾病正危及着人类的健康，最有效的治疗方式是采用微创介入治疗的经皮腔内冠状动脉成形术。目前，临床应用的血管支架以药物洗脱支架（基体为不锈钢、钴铬合金和钛合金）为主，这些支架永久地保留在体内，长期服用抗凝和抗炎药物，特别是植入后期，增加了再狭窄的风险程度。为了克服或解决这些问题，开展可降解血管支架材料设计及其制备工艺和性能研究具有重要的意义。
　　本文以可降解Mg-3Al-Zn-Ce镁合金为研究对象，采用大塑性变形真空热挤压工艺（断面收缩率＞99％）制备镁合金细丝和微细管。经过激光加工后将微细管制备成镁合金裸支架，在微弧氧化电解液中加入纳米石墨碳粉（粒径＜30 nm）对镁合金进行微弧氧化处理（MAO+C）。通过正挤压+激光加工+微弧氧化三大工序，制备出表面带有多孔膜层的可降解镁合金支架。
　　铸态 Mg-3Al-Zn-Ce镁合金的显微组织主要是由灰色α-Mg基体、沿晶界析出的β-Mg17Al12相（使得晶界呈黑色）和在晶内析出少量的粒状或针状 Al11Ce3相所组成。铸态镁合金的抗拉强度和断裂延伸率分别为179 MPa和1.7%，室温拉伸性能较差，腐蚀电位约为-1.53 V，腐蚀电流密度为1.834 mA·cm-2，表明Mg-3Al-Zn-Ce镁合金耐蚀性很差。
　　固溶态镁合金块体表面经MAO+C表面改性后，MAO+C膜层表面质量较好，厚度约为10μm，相组成为基体Mg、Mg2SiO4、MgO和MgAl2O4以及Mg3SiOF2。采用拉曼光谱对膜层粉末进行扫描发现了纳米石墨碳粉的带频 D和 G，证实了纳米石墨碳粉分布在膜层内部，膜层表面的碳含量为6.23 wt.%。腐蚀试验和电化学性能测试结果表明：MAO+C工艺进一步提高了Mg-3Al-Zn-Ce镁合金膜层的耐蚀性。
　　研究结果表明：在相同挤压应力条件下低温大塑性变形热挤压制备的Mg-3Al-Zn-Ce镁合金细丝（φ0.5 mm），其晶粒比较细小，孪晶较多，表面光亮；高温时得到晶粒粗大，力学性能较差的镁合金细丝。在相同挤压温度和不同外加挤压应力条件下，低应力挤压制备的镁合金细丝，显微组织粗大，孪晶细小；高应力挤压得到流线型的纤维状组织。温度和压力对镁合金细丝的显微组织和力学性能影响明显，比较理想的热挤压工艺为210 ℃+119 MPa。在此工艺条件下制备的镁合金细丝，其抗拉强度为386 MPa，断裂延伸率为18.7%，可见通过大塑性变形可以大幅提高镁合金的力学性能。
　　镁合金细丝经MAO+C表面改性后，MAO+C膜层的表面质量（孔径约为1μm）比对应的镁合金块体膜层（孔径约为5μm）更好，且在其表面上分布较浅的均匀圆形微孔。MAO+C膜层截面具有较少的微孔、微裂纹。可见，MAO+C表面改性工艺进一步提高了挤压态镁合金细丝表面氧化膜层的致密性，其中 MAO+C膜层表面含碳量大约是对应的镁合金块体膜层的3倍，达到17.96 wt.%。表面带有MAO+C膜层的镁合金细丝，其腐蚀降解速率和抗拉强度衰减程度比相应的MAO膜层都小，主要原因是：MAO+C膜层致密，表面质量较好。纳米石墨碳粉分布在氧化膜层内部极大地降低了镁合金细丝在模拟血液流动状态下的降解速率。
　　三种镁合金细丝的血液相容性和内皮细胞（HUVEC304）相容性评价试验结果表明：表面带有MAO+C膜层的镁合金细丝的细胞毒性为1级，低于MAO膜层的（2~1级）和裸丝的（2级），细胞毒性降低；三种镁合金细丝的浸提液对细胞正常生长有影响，培养过程中发现有细胞死亡，但是表面含有 MAO+C膜层的死亡细胞最少。从溶血、凝血、补体系统三方面，采用不同的单个指标分别评价三种镁合金细丝的血液相容性，试验结果表明：表面含有MAO+C膜层的镁合金细丝具有显著的抗凝效果，血液相容性良好。
　　通过非稳态真空热挤压工艺参数的变化，深入地研究了变形温度、外加压应力以及变形时间对变形抗力的影响，建立了变形抗力与位错运动和热激活二者之间的本构方程：(此处公式省略）
　　该方程合理地解释了试验过程中挤压温度和外加压应力对瞬时流变行为和平均流变行为的影响，并且制备出镁合金微细管，其尺寸大小为：外径1.5~2.5 mm，壁厚0.1 mm，作为血管支架的先驱体。选取外径2.2 mm，壁厚0.1 mm的微细管，对其进行激光加工雕刻（支架结构特征为S-余弦型），制备了镂空网状镁合金支架，通过MAO表面改性工艺制备出两种含C的和不含C的多孔氧化膜层的可降解镁合金支架。三种镁合金支架（包括裸支架）均可通过球囊扩张输送系统将其外径扩张至4.4 mm，扩张率为100%，而没有断裂，最大扩张力为6 Pa左右。将扩张后的三种支架进行径向压缩，随着支架半径的减小，压缩力逐渐增大，最大压缩力为1.2~1.6 N。但是纳米石墨碳粉对其扩张性能和压缩性能的影响甚微，主要由支架结构的形状和筋梁尺寸大小决定。

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1 绪论

1.1 心血管支架的发展历程和典型血管支架

1.2 第三代可降解镁合金支架的国内外研究进展

1.3 本课题的选题意义与研究目的

1.4 主要研究内容

2 试验材料、设备及方法

2.1 镁合金原材料

2.2 镁合金金相试样浸蚀剂

2.3 微弧氧化电解液试剂名称

2.4 试验设备

2.5 试验方法

2.6 镁合金微细管的力学性能测试

2.7 可降解镁合金支架激光加工

3 纳米石墨碳粉对Mg-3Al-Zn-Ce镁合金块体表面膜层性能的影响

3.1 铸态Mg-3Al-Zn-Ce镁合金的组织和性能

3.2 固溶态Mg-3Al-Zn-Ce镁合金的组织和性能

3.3 纳米石墨碳粉对镁合金块体膜层表面形貌、相组成和成分的影响

3.4 纳米石墨碳粉对镁合金块体膜层表面耐蚀性的影响

3.5 本章小结

4 Mg-3Al-Zn-Ce镁合金细丝制备及其膜层表面特性研究

4.1 制备镁合金细丝用热挤压模具设计

4.2 挤压工艺对Mg-3Al-Zn-Ce镁合金细丝微观组织和性能的影响

4.3 镁合金细丝的降解性能

4.4 纳米石墨碳粉对镁合金细丝的膜层表面形貌和成分的影响

4.5 纳米石墨碳粉对镁合金细丝膜层的动态腐蚀降解性能影响

4.6 本章小结

5 Mg-3Al-Zn-Ce镁合金细丝表面改性前后的生物相容性评价

5.1 血液相容性试验方法

5.2 人脐内皮细胞HUVEC 304细胞相容性评价

5.3 血液相容性及讨论

5.4 细胞毒性评价

5.5 细胞形态观察

5.6 本章小结

6 非稳态真空挤压镁合金微细管和支架制备及其性能研究

6.1 镁合金微细管的制备工序

6.2 挤压工艺参数对流变行为的影响

6.3 变形抗力随时间变化的数值拟合计算及回归方程的建立

6.4 镁合金微细管性能测试

6.5 可降解镁合金支架制备及性能测试

6.6 本章小结

7 全文主要结论

创新点

参考文献

致谢

攻读博士期间发表的论文和专利以及参与的科研项目