镁合金在医疗领域的应用研究

【摘要】医用镁合金是一种潜在的可降解植入材料,近年来获得了很多的关注。相比于传统的植入材料,镁合金的可降解性,优良的力学性能和生物相容性,都是其作为植入材料的优势。镁合金在生理环境中能够发生降解,从而在植入人体后不需要二次手术将其取出,这大大地降低了患者的痛苦,其降解产物对于人体来说无明显的毒副作用,同时镁合金的力学特性决定了其不仅能够为患处提供足够的力学支撑,并且拥有良好的力学相容性,也就是说镁合金的力学性能与人骨更为接近,这就避免了一些传统植入材料带来的问题,如应力遮蔽效应。但在应用于临床之前,医用镁合金在很多方面还需要更加深入的研究。本论文的研究主要分为三个部分：镁合金的表面处理；力学性能；以及镁合金的浸泡试验方法研究。首先,本论文开发了一种针对多相医用镁合金的表面处理方法——稳定化处理,这种方法能够降低表面膜层下基底的电化学活性。人体的生理环境中包含有许多具有腐蚀性的离子(如氯离子,碳酸氢根离子,硫酸根离子,磷酸根离子),它们对于镁合金在生理环境中的降解行为会产生不同的影响,其中,氯离子能够诱引和深化局部腐蚀行为,而在浸泡初期,碳酸氢根离子能够在镁合金表面形成膜层,对局部腐蚀行为能够起到一定的抑制作用。本论文利用氯离子和碳酸氢根离子的相互作用,一定时间内使得微电偶腐蚀和膜层生成在镁合金表面同时进行,将高电化学活性区域转化为过渡膜层,在膜层之下得到一个低活性的基底,过渡膜层随后被水热处理转化成更具有保护性的膜层,同时过渡膜层能够保护低电化学活性的基底不被水热处理破坏,整个过程称之为稳定化处理。电化学测试和浸泡测试表明稳定化处理提升了镁合金的抗腐蚀性能,尤其是提升了镁合金的点蚀电位,这得益于稳定化处理之后形成的特殊基底形貌。而在细胞增殖实验中,稳定化样品对HEK293细胞显出了更好的相容性。除了生物材料的表面性质之外,材料的力学性质也是其能否作为植入材料的重要评判方面。人体环境是一个复杂的环境,手术对于植入体力学性能的要求会随着患者的年龄、性别、身体状况、受伤部位的不同而改变,因此,镁合金植入体力学性能的可控性具有很大的必要性。改变合金成分能够调整镁合金的力学性能,但是开发一种新医用合金的成本和耗时都较高,并且由于医用镁合金生物相容性的要求,也限制了开发新医用镁合金时的元素选择。本论文开发了一种由三层板材构成的多层镁合金植入体模型,相比于同厚度的单层裸基,这种多层植入体模型的弯曲强度和弯曲模量都有所降低,并且它的力学性能能够通过调整模型中每块板材的厚度进行调控,所以这是一种力学性能可控的镁合金植入体模型。多层植入体模型在受到外力后产生变形,板与板之间存在摩擦力,这种摩擦力会降低植入体模型的整体力学性能,而这种摩擦力与每块板材的变形性相关,板材的变形性与板的厚度相关,所以在保持植入体模型的总厚度不变时,通过改变三块板材的厚度就能够调整植入体的力学性能。为了增加多层植入体模型的抗腐蚀性,本论文采用聚己内酯(PCL)在模型上制备膜层。虽然多层植入体模型暴露在溶液中的表面积要大于单层裸基,但在浸泡测试中,pH值,离子析出量和失重情况都表明多层植入体模型的腐蚀速率相比于单层裸基没有增加。力学测试采用三点式测试法,结果显示多层植入体模型的弯曲模量得到了有效降低。并且多层植入体模型的力学性能的降解过程更加稳定。通过结合本论文的工作和前人的研究结果,发现体外测试实验方法中仍存在一定的不足。体外测试实验是一种简易有效的能够预测体内实验情况的方法,但是由于体外和体内测试的实验手段在许多方面存在不同,所以它们的实验结果之间仍存在着差异。在动物体内试验中,骨板材料被固定在骨头上,材料的两个面暴露在不同的环境中：一个面贴合骨骼；另外一个面则暴露于肌肉组织。而这两个面的降解行为会因为面对不同的环境而有所不同。在传统的体外测试中,测试样品多是悬挂在测试液中,样品各个面的腐蚀情况保持一致。为了更好地模拟体内测试的真实环境,本论文开发了一种新型的用于体外实验的样品放置方式,这种放置方式是利用塑料骨钉将测试样品固定在骨头上,之后在动态的Hanks’溶液里进行体外浸泡试验。实验结果表明不同的样品放置方式对于体外浸泡试验过程中镁合金样品的腐蚀行为会产生影响。在浸泡试验前期,样品因为和骨头的贴合所以与腐蚀溶液隔离,从而得到保护,这个阶段带骨测试样品的失重情况要低于对比样品,两者的力学性能差异很小。但是在浸泡试验后期,由于测试样品本身发生了降解,从而影响了样品和骨头之间的固定,在两者之间形成缝隙,造成贴合骨头的面发生了局部腐蚀。局部腐蚀在短时间内会扩展,使得在这个阶段带骨测试样品的失重情况要高于对比样品,同时,在这个阶段带骨测试样品的力学强度的降解程度要严重于对比样品。
【作者】周俊岑；
【导师】李青；
【作者基本信息】西南大学，应用化学，2014，硕士
【关键词】镁合金；生物材料；生物降解；力学性能；体外测试；

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