MgO调控医用Mg-Zn-Ca合金凝固与体内外腐蚀降解行为的机理研究

It is a new idea that biodegradable Mg-Zn-Ca solid solution alloy with the MgO nano particles (nMgO) being the inoculation phases and sole reinforced phases of and the matrix. The alloys with the grain size, good mechanical properties and whole corrosion degradation will be prepared using traditional metallurgical casting with high shear melt conditioning. The properties of Mg-Zn-Ca-nMgO alloys are controlled by the additive amount of nMgO particles. In order to meet the requirement of internal fixation of fracture in clinic on biological safety, strong fixation and biodegradation property of the magnesium based materials, the corrosion and degradation with self protection in vitro and in vivo are reached. Closely around some fundamental materials science questions such as the solidification process of the Mg-Zn-Ca alloys adding the nMgO particles, the particles distribution and the interface with αMg matrix, as well as the relationship between the microstructure and properties of the alloys, especially the nMgO particles controlling in vitro and in vivo degradation behavior. combining with first-principle caculation, we study the mechanism of heterogeneous nucleation of α-Mg on the nMgO surface. The reason for nMgO particles reinforced and plasticized the Mg-Zn-Ca alloy matrix will be cognized and a interface model will also be established. It is focused on the effect and principle of the additive mount of n-MgO particles on the degradation with self protection in vitro and in vivo. At the same time, the biological safety and biocompatibility of the Mg-Zn-Ca-nMgO alloys in vivo will be evaluated.

设计不同含量纳米MgO（nMgO）为Mg-Zn-Ca固溶体合金的变质剂和唯一强化相，采用熔体强力剪切搅拌技术熔炼基体晶粒细小， nMgO均匀弥散分布，界面结合良好，综合力学性能优异，具有自保护功能的Mg-Zn-Ca-nMgO全降解合金。由nMgO含量调控合金晶粒度、力学性能，实现自保护均匀腐蚀，使其具有高强韧及与新骨生长相匹配的降解速率，满足骨折内固定材料生物安全、高性能、全降解的要求。紧密围绕添加nMgO颗粒镁合金的凝固过程，颗粒与基体界面状态与组织结构、性能的关系，特别是nMgO调控材料体内外降解行为和作用机制等基础科学问题，结合第一性原理计算，研究nMgO成为镁合金凝固时异质形核核心的机理，建立界面结合模型，探讨nMgO颗粒强韧化合金、增加其体内外自保护功能的规律与原理，掌握合金体内降解与成骨的匹配关系，并对合金体内生物安全性和生物相容性进行评价。

可降解生物材料在体内行使功能的同时不断被人体分解、吸收和代谢,既能治愈伤病又可避免二次手术。然而，迄今临床应用的可降解材料仅限于聚乳酸等高分子材料和Ca-P类生物陶瓷。由于力学性能不足、降解产物呈酸性或脆性大等缺陷，其使用范围受到极大限制。本项目以开发满足临床使用要求的生物安全型低模量、高强度、全降解镁合金为目标，采用熔体高剪切搅拌方法制备了不同 nMgO 和CaO颗粒含量 Mg-Zn-Ca 合金，通过第一性原理计算和实验数据分析，厘清了陶瓷颗粒对熔体界面结合能、 非均匀形核功及晶粒长大过程的影响；建立了 nMgO 含量与合金微观组织及性能之间的关系规律，阐明了 nMgO 强韧化Mg-Zn-Ca合金的机制；获得了nMgO 颗粒调控 Mg-Zn-Ca 合金体外腐蚀降解行为的机理；采用低温慢挤压工艺，获得了超细晶粒Mg-Zn-Ca-nMgO 合金，其性能指标为：拉伸屈服强度（TYS）和断裂伸长率（EL）分别达到379 MPa和10.1%；体外模拟体液浸泡的年腐蚀速率为0.68 mm/y；体内植入6个月降解速率仅为0.08mm/y，达到了骨折内固定材料的临床使用要求；动物骨植入实验分析了不同程期Mg-Zn-Ca-nMgO合金体内降解和引导新骨生长的数据，为高性能、全降解镁合金骨折内固定材料的临床应用提供了理论和实验依据。基于申请人与本项目相关的两个发明专利，与天津市康尔医疗器械有限公司合作拟开发颅颌面骨修复产品，取得了一些实质性的进展。同时，项目研究紧密围绕高性能、全降解生物医用镁合金的制备、纳米陶瓷颗粒对凝固过程的影响，增强体分布及与基体界面结合状态对材料组织结构、性能影响的规律与机理，特别是MgO纳米颗粒调控材料体内外降解行为和机理等基础问题而展开。这些都是我们发展高性能、生物可降解材料亟待解决的关键科学问题，不仅为新型可降解镁合金的临床应用打下坚实的理论基础，而且，对于丰富和发展无Al 镁合金的变质机理、纳米颗粒强韧化和调控镁合金降解的理论，发现新问题，探索新规律都有着积极的促进作用。