生物医用镁基复合材料力学及生物相容性研究

Biodegradable magnesium alloy is one of the hot topics of biomedical metal materials, and it can overcome the problems such as "stress shielding" and re-operation caused by the titanium alloy, steel and other traditional implant materials. So magnesium alloy has broad prospects in in orthopedic clinical application. But how to obtain good mechanical properties and biological compatibility of magnesium alloy is the urgent problem to be solved. In this project cryomilling and powder metallurgy are selected to fabricate bioactive ceramic particle reinforced magnesium matrix composite materials, the quantitative relationship between preparation – microstructure- mechanical properties will be studied to reveal the factors affecting the composite elastic modulus, strength and other mechanical properties; The corrosion behavior of magnesium matrix composite materials in simulated body fluid, microstructure changes of the composite material in the corrosion process and corrosion mechanism will be discussed in details, and the corrosion model of composite materials in the simulated body fluid will be established; In addition, degradation behavior of magnesium matrix composites in vivo, degradation mechanism and products will be studied and the effect of degradation products on biological tissue will be clarified. Efforts will be carried out to explore the assessment methods of the biocompatibility of magnesium matrix composite. This project will provide theoretical support for the development of the biomedical magnesium alloys, and lay the foundation for its clinical application.

可生物降解镁合金是医用金属材料的前沿方向，可以克服钛合金、不锈钢等传统植入材料存在的“应力遮挡”以及二次手术等问题，作为生物医用材料在骨科临床应用方面具有广阔的前景，但如何获得兼具良好力学相容性和生物相容性的镁合金是其亟待解决的一大问题。本项目采用低温球磨和粉末冶金法制备生物活性陶瓷颗粒增强镁基复合材料，考察复合材料制备-组织结构-力学性能之间的定量关系，揭示影响复合材料弹性模量、强度等力学性能的决定因素；研究复合材料在仿生体液中的腐蚀行为，阐明腐蚀过程中复合材料组织结构变化规律及腐蚀机理，建立复合材料在仿生体液下的腐蚀模型；研究镁基复合材料在生物体内的降解行为，揭示其降解机理和产物，并阐明降解产物对生物体组织的影响规律，探索镁基复合材料生物相容性评价方式。本项目的开展将为发展具有良好综合性能的生物医用镁合金材料提供理论支撑，为其临床应用奠定基础。

镁合金因在人体内具有可降解性，并表现出独特的力学性能和良好的生物相容性，被认为是理想的生物可降解植入材料。然而，作为医用植入材料，镁合金在生理环境中的降解速率过快和耐磨性较差是亟待解决的难题。因此，通过适当的方法提高镁合金的耐蚀性和耐磨性具有重要意义。.本文采用球磨混粉+粉末热挤压技术，以ZK60镁合金为基体，通过添加不同含量的羟基磷灰石（HA）颗粒制备了ZK60/xHA复合材料（x=0，5，10，15，20 wt.% ）。通过压缩测试和硬度测试对ZK60/HA复合材料的力学性能进行了分析，通过析氢测试、失重测试和电化学测试对ZK60/HA复合材料在模拟体液中的降解性能进行了分析。最后，采用球盘式摩擦磨损试验机对比研究了ZK60合金和ZK60/10HA复合材料的干摩擦磨损性能和在模拟体液中的腐蚀磨损性能，分析了HA对镁基复合材料摩擦磨损行为的影响，揭示了ZK60合金和ZK60/10HA复合材料的干摩擦磨损和腐蚀磨损机理。具体研究结果如下：.随着HA颗粒的加入，复合材料的晶粒得到了一定程度的细化。当HA含量达到15 wt.%时，HA颗粒出现了团聚现象。此外，HA的加入导致了复合材料的压缩强度和硬度出现了一定程度的下降，但仍然可以满足植入材料的需求。.由于HA对钙磷离子沉积的诱导作用，在浸泡过程中形成的磷灰石层可以对镁基体形成有效保护，从而使得ZK60/HA复合材料相比ZK60合金拥有更好的耐蚀性能。各复合材料中，ZK60/10HA的耐蚀性最好，为7.17 mm/y。.在干燥环境下，ZK60合金的磨损机制为磨粒磨损，ZK60/10HA复合材料的磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损，并伴随有轻微的三体磨损。在模拟体液中，ZK60合金的磨损机制为磨粒磨损和腐蚀磨损，ZK60/10HA复合材料的磨损机制主要为磨粒磨损和腐蚀磨损，并伴随有轻微的剥层磨损。在各转速下，ZK60/10HA复合材料在模拟体液中的磨损率均低于ZK60合金，表明HA颗粒的加入可以有效改善ZK60合金的耐腐蚀磨损性能。.ZK60/HA复合材料植入家兔体内，不会对肌肉、关节软骨、肝脏和肾脏组织造成损害，不会引起肝功能、肾功能和电解质异常，表明ZK60/HA复合材料具有良好的生物相容性和安全性。