骨填充用新型可降解镁锶合金的降解性能研究和应用探索

摘要

骨缺损修复在临床上是骨科中极为常见的手术，要求骨移植替代物能够加强对缺损处的修复作用进而促进骨愈合。目前临床应用的骨修复材料都因为存在各自的缺点及挑战而不能成为理想的骨移植替代材料。镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内被降解吸收等特点，成为一类极具临床应用前景的新型生物可降解骨植入材料。镁锶合金因为具有良好的促成骨、促血管化等生物医学功能而被研究者关注，但镁锶合金过快的降解速度仍是阻碍其临床应用的壁垒。本文通过调整合金成分和不同的加工方式来提高镁锶合金的耐腐蚀性能，并进一步研究其腐蚀机制。在此基础上，选择优化处理的镁锶合金进行动物体内实验，初步探索合金在骨填充领域中应用的可行性。
　　本文将具有促进骨骼发育和类骨质形成作用的锶(Sr)元素添加到镁基体中，制备了不同Sr含量的挤压态Mg-Sr合金（Mg-1.0Sr，Mg-1.5Sr，Mg-2.0Sr）。研究了Sr含量的变化对挤压态Mg-Sr合金的微观组织和耐腐蚀性能的影响。挤压态Mg-Sr合金是由合金基体和Mg17Sr2第二相组成，随着Sr含量的增加,晶粒尺寸减小，第二相含量增多。Mg-1.5Sr合金在模拟体液中的耐蚀性最佳，Mg-2.0Sr合金的耐蚀性最差，这是微观组织中晶粒尺寸和第二相双重作用导致的结果。
　　选择Mg-1.5Sr合金为研究对象，通过挤压和热处理的加工方式得到不同状态的Mg-1.5Sr合金，研究热挤压和热处理对Mg-Sr合金降解行为的影响和Mg-Sr合金在模拟体液中的腐蚀机制。实验结果表明，Mg-Sr合金的腐蚀行为与合金组织有很大的依赖关系，Mg-Sr合金中晶粒尺寸越小，耐蚀性越好，合金表面的腐蚀膜层越致密。第二相在Hank's溶液中腐蚀开裂，对合金基体没有有效的阻挡作用。铸态合金中网状第二相覆盖全部晶粒，严重的电偶腐蚀导致极差的耐蚀性，以晶间腐蚀为主。挤压态Mg-Sr合金中第二相被碎化，电偶腐蚀减弱，主要以丝状腐蚀和点蚀为主。挤压态Mg-1.5Sr合金的腐蚀速率远小于铸态合金，优化得到能够获得最佳耐蚀性能的挤压态Mg-Sr合金的热处理制度为450℃/5 h。
　　将优化处理后的Mg-Sr合金植入到新西兰白兔的人造骨缺损中8周，利用micro-CT与组织学分析来表征植入物对骨缺损处和周围骨组织的响应情况。结果表明，与临床应用的TCP植入物相比，优化处理后的Mg-Sr合金具有更优异的促成骨和缺损修复的性能。适量的镁离子释放以及一个较稳定的植入物表面是促进成熟新生骨贴附和生长的关键。因此，优化处理后的挤压态Mg-1.5Sr合金作为新一代骨填充材料极具应用潜力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 骨移植填充及骨修复材料

1．1．1 骨移植填充

1．1．2 骨缺损修复材料

1．2 可降解镁合金作为骨修复材料的研究现状

1．2．1 可降解镁合金的研究与发展

1．2．2 镁基金属作为骨修复材料的优势

1．2．3 可降解Mg—Sr合金的相关研究

1．3 镁及镁合金的降解与调控

1．3．1 镁及镁合金的降解行为

1．3．2 合金的微观组织与降解行为的关系

1．3．3 提高镁合金耐腐蚀性能的方法

1．4 论文研究目的和主要内容

2．1 实验材料

2．1．1 铸态镁锶合金的制备

2．1．2 合金的均匀化处理

2．1．3 挤压态镁锶合金的制备

2．2 合金成分和组织分析

2．2．1 合金成分分析

2．2．2 金相组织分析

2．2．3 X射线衍射分析

2．2．4 扫描电镜及能谱分析

2．3 合金降解性能测试

2．3．1 电化学实验

2．3．2 浸泡实验

2．4 动物实验

2．4．1 样品准备

2．4．2 手术过程

2．4．3 计算机断层扫描(micro—CT)分析

2．4．4 组织学表征

2．5 统计学处理

第3章 Mg－Sr合金的微观组织与降解性能研究

3．1 引言

3．2．1 挤压态合金的成分分析

3．2．2 挤压态合金的微观组织

3．3 挤压态Mg—Sr合金的体外降解性能研究

3．3．1 浸泡实验

3．3．2 电化学实验

3．4 小结

第4章 挤压及热处理对镁锶合金降解行为的影响

4．1 引言

4．2．1 微观组织

4．2．2 降解性能

4．2．3 铸态与挤压态合金腐蚀行为对比

4．3 热处理对挤压态Mg－1．5 Sr合金的降解性能的影响

4．3．1 实验方案

4．3．2 微观组织

4．3．3 降解行为

4．4 本章结论

第5章 镁锶合金作为骨缺损修复器件的应用探索

5．1 引言

5．2 动物实验方案

5．3 体内降解行为

5．4 骨缺损愈合和骨响应

5．4．1 micro－CT分析

5．4．2 组织切片染色

5．5 小结

第6章 全文结论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果