基于宫内节育器应用背景下的纳米晶纯铜的体液腐蚀与生物性能研究

Copper (Cu) is one of the most important metallic materials in dailiy life and industry. The main application of copper in biomedical area is Cu-containning interuterine device (IUD) which has been employed in clinic for about 40 years, however, there are two main problems with IUD since the beginning of its useage: the burst release of cupric ion in the first 1 or 2 months after implanted and the low efficiency of the cupric ion for long term useage, both of which relate to the corrosion behavior of copper.In this project, the relationship between the microstructures and the corrosion properties of copper materials are investigated for the purpose of IUD appliction. Copper bulk materials with different grain sizes from nanoscale to tens of micrometers are fabricated via severe plastic deformation processes.The microstructures, mechanical properties,corrosion perfomances, cupric ion release behaviours and in vitro biocompatibility of the copper bulk materials with different grain sizes are studied. The in vivo biocompatibilities of the various copper materials is also involved to evluate the contraception efficiency of the copper containing IUD with different grain sizes. The relationship between the grain size of copper bulk materials and their bio-corrosion properties and the biocompatibilities is summerized and the design principles and experimental evidence for new types of copper containing IUDs with different grain sizes are provided.

铜材料是日常生活与工业生产中常用的金属材料之一，在生物医用领域，铜材料主要应用于制备宫内节育器。含铜宫内节育器虽然已经广泛应用于临床40余年，但是含铜宫内节育器在植入体内初期的铜离子暴释现象与长期植入后铜离子转化率低两个问题始终未能得到很好的解决。这两个问题的根源都与铜材料自身的腐蚀性能相关，本项目从铜材料本身的组织结构出发，通过剧烈塑性变形的方法制备不同晶粒尺寸的铜块体材料，集中考察了不同晶粒尺寸的铜材料的基本力学性能，比较研究其在各种模拟体液中的腐蚀行为与铜离子释放规律，通过细胞毒性、血液相容性与蛋白吸附试验评价其体外生物相容性，通过动物体内试验测定不同晶粒尺寸的铜材料的体内生物相容性与作为含铜宫内节育器的节育效果，最终对铜材料的晶粒尺寸对其生物腐蚀行为以及生物相容性的影响规律做出总结，为设计与开发新型宫内节育器材料提供指导性原则与理论实验依据。

铜材料是日常生活与工业生产中常用的金属材料之一，在生物医用领域，铜材料主要用于制造宫内节育器。含铜宫内节育器虽然已经广泛应用于临床40余年，但是其在植入体内初期的铜离子暴释现象以及长期植入后铜离子转化率低两个问题始终未能得到很好的解决。因此本项目从铜材料本身的微观组织结构出发，集中考察了不同晶粒尺寸的铜块体材料以及铜/硅橡胶纳米复合材料在模拟宫腔液中的腐蚀行为和体外生物相容性，探讨了微米晶铜、亚微米晶铜、单晶铜和含铜纳米复合材料做为宫内节育器新材料的可行性。.首先，微米晶铜材料的平均晶粒尺寸为40 µm，没有择优取向。在模拟宫腔液中的溶解氧含量与蛋白质添加对微米晶铜在其中的电化学腐蚀性能影响很大，富氧、缺氧以及蛋白添加都使微米晶铜的腐蚀速率大幅度下降。微米晶铜在模拟宫腔液中显示了明显的铜离子暴释现象；微米晶铜的体外相容性较好。.其次，利用等通道转角挤压工艺获得了亚微米晶铜，平均晶粒尺寸为0.3 μm。亚微米晶铜的屈服强度约为450 MPa，显微硬度值约为176.7 Hv，同微米晶铜相比有了很大程度的提高。亚微米晶铜在模拟宫腔液中的电化学腐蚀行为受溶解氧含量和蛋白添加的影响较大，但受影响程度较微米晶铜轻。亚微米晶铜在模拟宫腔液中表现了一定程度的铜离子暴释，但是与微米晶铜和单晶铜相比，亚微米晶铜的铜离子暴释程度最轻。而且，在长期的铜离子释放测试中，亚微米晶铜的铜离子转化率较微米晶铜与单晶铜高。亚微米晶铜表现出了优异的体外相容性。.再次，采用单晶连铸技术制备了单晶铜材料，测试分析结果表明，单晶铜屈服强度较微米晶铜低，但是延伸率明显提高（约200%）。在模拟宫腔液中，富氧、缺氧以及蛋白添加不同程度的降低了单晶铜的腐蚀速率。单晶铜在模拟宫腔液中都出现了铜离子暴释现象。另外，单晶铜在模拟宫腔液中的腐蚀产物有从基体铜上剥落的迹象，表明单晶铜表面的腐蚀产物与基体铜结合力差。单晶铜具有良好的体外生物相容性。.最后，采用机械共混与热硫化方法制备了纳米铜/硅橡胶复合材料。随着铜纳米颗粒含量的增加，硅橡胶基体的强度先降低再增加，这与纳米颗粒在其中的分散性有关。不同铜含量的纳米复合材料均表现出了铜离子暴释现象，随着铜纳米颗粒的增加，纳米铜/硅橡胶复合材料的铜离子释放速率升高。纳米铜/硅橡胶复合材料具有一定的细胞毒性，但要小于相同浓度下的单晶、微米、纳米晶铜材料的浸提液的细胞毒性。