医用可降解锌合金(Zn-1.2Mg-0.1Ca)的机械性能、降解性能和生物相容性研究

摘要

第一部分、医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制备及机械性能研究
　　背景：永久金属内植物一旦进入人体，会缓慢释放金属离子，引起周围组织和器官的炎症反应。因此，在达到固定治疗目的后，部分患者需要二次手术将内植物取出，由此不仅会给患者带来身体上的痛苦，还会带来经济负担。生物可降解金属具有较好的机械性能和生物相容性，同时具有生物可降解性，近些年来逐渐进入研究者视线。镁及其合金的机械性能与正常骨组织相似，且降解后产生的离子具有较高的生物相容性，因此受到了极大的关注。但是，镁基合金最大的缺点在于降解速度过快，不能在骨愈合前完成其固定的目标。
　　锌及其合金以其金属惰性及相似的机械性能，成为新的选择。此外，锌是人体必需元素之一，在人体的新陈代谢过程中起到很大的作用。根据现有的文献得知，Mg是增强金属锌机械性能的一种有效的合金化元素，并且镁元素的质量百分比在0.93％和1.55%时表现出了较好的强度和硬度。另外，Ca是人体必需的生命元素，也是人体中含量最为丰富的金属元素，99%存于牙齿和骨骼中，维持牙齿和骨骼的支撑作用，同时Ca还是一种重要的合金化元素，被用来改善锌及其合金的力学性能。
　　目的：制备了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金，并使用热轧处理的方式对综合学性能进一步提升，研究了热轧处理对Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的微观结构及力学性能的影响。
　　方法：实验采用纯锌、纯镁和纯钙由CO2气氛保护，在460oC-480oC条件下，熔炼成为Zn-1.2Mg-0.1Ca合金，并使用电感耦合等离子体原子发射光谱法测得合金的成分为Zn-1.13Mg-0.11Ca（wt.%）。同时，制备了Zn-1.2Mg-0.1Ca合金热轧板。此外，使用X射线衍射分析仪和电镜，对合金试样进行扫描，观察其微观组织及物相结构；并将铸态和轧态锌合金加工成拉伸试样，在万能材料力学试验机上进行室温拉伸性能测试；使用扫描电镜观察拉伸试验测试后的样品断口形貌；在显微硬度计上进行显微硬度测试。
　　结果：Zn-1.2Mg-0.1Ca合金因Ca的引入会在树枝晶间形成菱角分明的CaZn13相，会提升合金的强度和硬度，且轧制处理后，微观组织呈现一定的取向，共晶组织和析出物沿晶界排布，使其表现出较为优异的力学性能。
　　结论：通过Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制备及实验研究证明，轧Zn-1.2Mg-0.1Ca合金具有相对较好的机械性能，可作为新的医用可降解材料，应用于后续的研究。
　　第二部分、医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体外降解及体外生物相容性研究
　　背景：金属相对于聚合物材料及陶瓷，具有较高的强度及硬度，因此作为一种生物医学材料，被广泛的应用在骨科内植物中。但是，传统的生物金属材料如不锈钢、钴铬合金、及钛合金，具有较高的抗腐蚀能力，被作为永久内植物，应用于人体。一旦进入人体，植入物可能释放金属离子，引起周围组织和器官的炎症反应。因此，在达到固定治疗目的后，部分患者需要二次手术将内植物取出，由此不仅会给患者带来身体上的痛苦，还会带来经济负担。
　　医用可降解金属具有较好的机械性能和生物相容性，同时具有生物可降解性，近些年来逐渐进入研究者视线。镁及其合金的机械性能与正常骨组织相似，且降解后产生的离子具有较高的生物相容性，因此受到了极大的关注。但是，镁基合金最大的缺点在于降解速度过快，不能在骨愈合前完成其固定的目标，目前仍处于研究阶段。与镁合金相比，锌及其合金以其金属惰性及相似的机械性能，成为新的选择。此外，锌是人体必需元素之一，在人体的新陈代谢过程中起到很大的作用。通过以上因素综合考虑，锌可以作为可降解金属的一份子。但是，研究发现，纯锌的机械性能较差，无法直接加工成为内植物设备。因此，合金化处理增加锌的机械性能，成为了必不可少的过程。

目录

声明

缩略语表

前言

文献回顾

一、骨的生物学特点

二、骨折永久内固定的研究现状

三、生物医用可降解金属内植物的研究进展

四、总结及展望

实验一、医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的制备及机械性能研究

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

5 小结

实验二、医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体外降解及体外生物相容性研究

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

5 小结

实验三、医用可降解Zn-1.2Mg-0.1Ca合金的体内降解及生物相容性研究

1 实验材料

2 实验方法

3 实验结果

4 讨论

5 小结

结论

参考文献

附录

个人简历和研究成果

致谢