生物医用(HA+β-TCP)/Mg-Ca复合材料的制备与性能表征

摘要

镁合金和磷酸钙陶瓷(HA、β-TCP)都是理想的骨组织替换材料。但镁合金的主要局限是降解速度太快，HA+β-TCP的低强度和低韧性也使其在骨修复方面的应用受到限制。本文旨在结合二者的优势，构建Mg-1Ca(后面都简写为Mg-Ca)合金与HA+β-TCP复合材料体系，实现性能上的相互取长补短，为设计和开发新型生物医用骨组织工程材料提供理论和试验依据。
　　 本文采用液相沉淀法合成了β-TCP和HA粉末，再以聚氨酯泡沫为模板，采用有机泡沫浸渍法制备了多孔陶瓷(β-TCP、35HA+β-TCP、60HA+β-TCP、85HA+β-TCP和HA)。然后利用自制的真空吸铸仪，将Mg-Ca合金吸入多孔陶瓷中制备镁合金基复合材料体系(β-TCP/Mg-Ca、(35HA+β-TCP)/Mg-Ca、(60HA+β-TCP)/Mg-Ca、(85HA+β-TCP)/Mg-Ca、HA/Mg-Ca)。采用带能谱仪的扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、材料万能试验机、电化学工作站和体外浸泡实验等分析测试方法，对β-TCP、HA粉末，多孔陶瓷、镁钙合金和复合材料的相组成、微观结构、力学性能及耐腐蚀性能进行研究。研究结果表明：煅烧后得到的β-TCP和HA粉末是单相，HA粉末的分散性优于β-TCP粉末的。多孔陶瓷在烧结过程中聚氨酯泡沫、分散剂、粘结剂分解完全，同时β-TCP、HA也未发生相的转变。制备的多孔陶瓷具有三维通孔结构，孔隙率在90％以上。多孔β-TCP、3SHA+β-TCP、60HA+β-TCP、85HA+β-TCP的最终压缩强度大约为0.05MPa，而多孔HA的强度为0.08MPa左右。随着多孔陶瓷浸泡时间的增加，SBF溶液中Ca2+离子和P的浓度逐渐降低。浸泡10天和20天后，多孔β-TCP表面有新相HA生成。而多孔HA+β-TCP未发生显著降解。Mg-Ca合金基体主要由Mg和Mg2Ca组成，复合材料的主要相组成为Mg、Mg2Ca、β-TCP和HA。Mg-Ca合金基体的最终压缩强度大约为240MPa。β-TCP/Mg-Ca、(35HA+β-TCP)/Mg-Ca、(60HA+β-TCP)/Mg-Ca、(85HA+β-TCP)/Mg-Ca和HA/Mg-Ca复合材料的最终压缩强度分别为107±13MPa、130±17MPa、79±22 MPa、97±23 MPa和68±25MPa。对比可以看出：当镁合金与多孔陶瓷复合后，复合材料的强度不及基体强度，但比多孔陶瓷的强度高很多。Mg-Ca合金基体的腐蚀电位(-1.89V)是最负的，同时，与5种复合材料相比，Mg-Ca合金的腐蚀电流是最大的(634.52μA/cm2)，这表明复合材料的抗腐蚀性能好于基体的。复合材料表面形成的多相保护性腐蚀产物层可能是使其耐腐蚀性能提高的主要原因。SBF溶液中浸泡10天和20天后，Mg-Ca合金表面的腐蚀产物主要是Mg(OH)2，而复合材料的主要腐蚀产物为Mg(OH)2、Ca2(PO4)3和HA。而且在整个浸泡过程中，复合材料中镁合金不断溶解，但多孔陶瓷支架仍然存在，这种多孔结构可以为细胞的增值和分化提供一定的条件。