n-βTCP/Mg-Zn复合材料的腐蚀降解机理与生物相容性研究

重量轻、力学性能适宜、生物安全性高并可降解的镁基材料在骨修复器材、血管支架和止血夹等方面孕育着巨大的临床应用前景，但针对这一要求的材料的成分设计及其在生理环境中的腐蚀降解规律和机制尚有很多亟待解决的科学问题。以Mg-Zn合金为基体，可降解的βTCP纳米颗粒为增强体，采用双螺旋高剪切熔体搅拌、压力铸造技术制备n-βTCP /Mg-Zn复合材料，使纳米生物陶瓷颗粒均匀分布于合金基体中，并形成良好的界面结合，以此提高材料的强度、塑性，增加抗蚀性和生物活性，并通过βTCP颗粒的尺度和添加量调控复合材料的降解速率，深入研究腐蚀降解机理。在体外细胞评价的基础上，采用动物模型探索复合材料的体内降解规律和生物相容性。在开发出具有良好的生物降解性、安全性、细胞相容性和力学性能的镁基复合材料的同时，开展纳米颗粒增强、增塑和体内外降解机理的基础研究，为其临床应用打下坚实的理论与实验基础。

与其它植入金属相比，镁合金及其复合材料具有与自然骨最为接近的综合力学性能和优异的生物腐蚀降解特性，为其作为可降解骨折内固定材料奠定了基础。用镁合金替代不锈钢、钛合金等传统医用金属材料, 在临床可有效地避免二次手术，具有广阔的应用前景。但镁合金过快的腐蚀降解速率是制约其临床应用的一大问题。而生物安全的镁合金力学性能却偏低，因此有必要采取相应的措施来控制其腐蚀速度，提高其力学性能。.本研究提出n-HA(或β-TCP） /Mg-Zn-Zr复合材料设计思路，进一步优化基体合金成分，通过冶炼方法制备复合材料，由纳米陶瓷颗粒调控复合材料的晶粒度、力学性能和腐蚀性能，实现生物安全、生物相容和力学相容的性能要求。取得了一些具有创新性的研究成果：.（1）Mg-Zn-Zr合金的强度随Zn含量而增加,但塑性和耐蚀性下降。Mg-2.5wt%Zn-0.5wt%Zr合金的抗拉极限强度为305 MPa，延伸率达到21.0%，腐蚀电流密度为2.10 μ A/cm2，性能优于其他组分的Mg-Zn-Zr合金，以此作为复合材料的基体合金是适宜的。.（2）纳米生物陶瓷n-HA和β-TCP与Mg-2.5wt%Zn-0.5wt%Zr合金制备的复合材料,其强度、塑性和耐腐蚀性都随着HA和β-TCP含量的增大而有所提高，1wt%是较为适宜的含量。其塑性增加的机理可能是启动了镁基体的非基面滑移。.（3）纳米生物陶瓷n-HA和β-TCP均能细化Mg-Zn-Zr合金基体，但β-TCP的影响更加显著。可能的原因是其与密排六方晶体Mg之间存在取向关系，可形成半共格界面而成为α-Mg晶核的异质核心，减小形核功，增加形核率，细化晶粒。.（4）传统搅拌工艺制备的复合材料中有颗粒团聚现象，且随着增强体含量增多，团聚体的尺寸变大。高熔体剪切和双螺旋高剪切搅拌技术（MCAST）可以有效地分散HA和β-TCP颗粒，使组织结构趋于均匀。.（5）脱钙切片组织观察显示，镁合金与骨组织界面结合良好，3个月后为完全骨整合界面；显微CT下可见新生骨紧密包裹镁合金，镁合金种植体的降解率约在3个月和6个月后分别为34%和90%，而加入了HA的复合材料3个月时的降解率约为24%，6个月为60%。适于作为松质骨螺钉材料。