新型镁合金血管支架材料变形强韧化与生物适配性研究

Magnesium alloy as an implant functional material has received high attention from material, biosphere and medical research due to its degradation characteristics. The key problem to be solved is to realize controlled degradation of magnesium alloy in vivo and meet the requirements of biological adaptation. .With the addition of inexpensive metal element having metallurgical and biomedical function to the magnesium alloy, it is hoped to obtain integration magnesium alloys for biomaterial applications with special structure, performance and biomedical function. Sustained release of particular element could be caused by corrosion of the new magnesium alloy in vivo. This new magnesium alloy for biomaterial applications will not only meet the biological safety and achieve mechanical support of magnesium alloy implants, but also give full play to the biomedical function of these metal elements. By investigating composition design criterions, deformation and phase transformation-toughening as well as microtube forming mechanism established by calculation, experiment and simulation, this project will analyze the relationship between degradation behavior of microtube in blood-contacting environment and microstructure of the new magnesium alloy stent. It is hoped to reveal the reason for inhibition of support and degradation of mechanical strength for the new magnesium alloy, and also clarify regulation mechanism between mechanical integrity of this new magnesium alloy and reconstruction, healing and adaptation in vascular tissues. By revealing the effect of degradation products of this new magnesium alloy on cells and vascular tissue, the project will lay a theoretical foundation for clinical application of new type of controlled degradation magnesium alloy stent.

镁合金的降解特性使其作为植入功能材料受到材料、生物和医学界的高度关注。如何实现其在体内的降解可控、满足生物适配性要求，就成为业界亟待解决的关键问题。.经向合金中添加具有冶金和生物医学双重功能的廉价金属元素，利用金属在体内发生腐蚀而造成的特定元素的持续释放现象，在满足生物安全性，实现镁合金植入物力学支撑作用的同时，能够充分发挥这些金属元素的生物医学功能，进而赋予镁合金材料特定的结构、性能和生物医学功能一体化特性；该项目通过计算、实验和模拟分析研究，建立该新型血管支架用镁合金的成分设计准则、变形与相变强韧化及微细管成形原理，剖析新型镁合金管材在血液环境中的降解行为与其微观组织结构之间的关系，揭示抑制新型镁合金力学强度支撑与退化的原因，澄清新型镁合金力学完整性与血管组织重建愈合适配的调控机制，阐明新型镁合金降解产物对细胞和血管组织的作用效应，为新型可控降解镁合金血管支架的临床应用奠定理论基础。

镁合金具有良好的生物相容性和可降解吸收性，是血管支架材料的理想选择。然而，目前血管支架材料的研究主要以商用镁合金为主，商用镁合金最初是作为结构材料设计的，作为血管支架材料使用存在生物相容性差、韧性不足以及腐蚀速率过快等问题，限制了其在临床上的应用。本项目是专门针对血管支架材料的性能要求，选择对人体无毒无害的Zn、Y、Zr、Ca、Sr及Mn元素作为镁合金添加元素，通过理论计算和优化设计，熔炼制备出性能满足要求的Mg-Y-Zn-X(X为Zr、Ca、Sr或Mn)系新型镁合金。采用现代分析手段，分析研究了新型镁合金铸态、热处理态、挤压态的微观组织，力学性能，体外腐蚀性能及生物相容性，研究了其强韧化变形机制及体外腐蚀机理等。取得以下重要结果及关键数据：（1）获得了新型镁合金最佳制备工艺方案，成功制备出四种血管支架材料：Mg-2Y-1Zn-0.4Zr；Mg-2Y-1Zn-0.4Zr-0.3Sr；Mg-1Y-3Zn-0.6Zr-0.5Ca；Mg-1Y-3Zn-1Mn。（2）探明了新型镁合金在声磁耦合场作用下的凝固机理。（3）揭示出合金元素与挤压变形工艺对合金变形微观组织的演化规律与变形强韧化机制。（4）阐明了合金在均匀化球化退火处理与热挤压过程中微观组织结构演化规律，合金在挤压变形过程中的塑性变形和动态再结晶变形机理，微纳米准晶近似相颗粒与14H结构相的相互作用与协调机制。（5）剖析了不同组织状态的合金在体外模拟环境中的降解行为，明确降解速率与组织微环境的相互作用机制，建立合金成分-加工工艺-腐蚀性能之间的相互关系，明确了镁合金在模拟体液中的腐蚀机理。（6）探明了不同降解速率的合金与细胞和血细胞微环境的作用关系。本项目的研究成果为新型降解可控镁合金血管支架材料的制备及其临床应用奠定了理论基础。