促进骨愈合的可降解镁合金力-化调控机理研究

This project aims to solve the problems encountered during the bone repairing by magnesium alloy, such as the fast degradation of the alloy, mismatch with bone healing, reduced strength and toughness of the alloy. In order to achieve this goal, the regulation mechanism of mechanical-biochemical coupling signals on biodegradation properties and bioactivity will be explored for ZEK100 magnesium alloy in this project. The effect of preload on the deformation mechanism and fatigue properties of ZEK100 alloy during the process of biodegradation will be investigated first to obtain the Mg alloy with improved mechanical properties. Mechano growth factor (MGF) will be further introduced into the preload-improved ZEK100 alloy by applying layer-by-layer assembly technology. Then the controllability of biodegradation, bioactivity and service life of the MGF-modified ZEK100 alloy will be investigated by the vivo and vitro experiments, and the effect of MGF on bone healing will be analyzed. Based on the prior results, a fatigue life model will be established to predict the biodegradation-affected life of MGF-modified ZEK100 alloy in vivo conditions. Finally, the influence of preload and MGF-layer on bone healing and Mg alloy degradation will be concluded and the bone-repairing capability of MGF-modified Mg alloy will be evaluated. The to-be-derived results are important for clinical application of Mg alloys and are able to promote the development of bone medical science and improvement of clinical technology.

本课题通过探讨力学、生化学信号调控镁合金疲劳降解性能及生物活性的机理，旨在解决镁合金修复骨缺损所面临的降解速度过快、与骨愈合不匹配及强韧性低等问题。以ZEK100镁合金为实验对象，研究不同预载荷对降解过程中镁合金的变形机制及疲劳力学性能的影响，获得综合力学性能改善的镁合金材料；基于该材料，采用层层自组装技术，制备力生长因子MGF改性镁合金材料，通过体内和体外实验，研究其降解可控性、生物活性及服役寿命，分析MGF对骨组织愈合的影响机理；建立MGF改性镁合金的疲劳降解寿命预测模型，用于对镁合金植入体内服役寿命的预测。总结预载荷和MGF改性层对骨损伤愈合及镁合金降解的影响规律，进而评价MGF改性镁合金骨修复材料的骨修复能力。此研究对于镁合金的临床应用具有重要价值，可以促进骨的基础医学发展和临床治疗方法的改进。

镁合金具有良好的生物相容性、力学承载能力和可降解性能，在生物医学方面受到广泛关注。但镁合金腐蚀速率过快限制了它的应用，因而开发新型生物镁合金材料显得尤为重要。项目取得如下重要成果：（1）采用不同方式的预应变调控镁合金的孪晶织构，分析了不同的孪晶调控织构对镁合金的腐蚀及力学行为的影响。结果表明，预压缩、预扭转获得的预孪晶具有相似之处，都能够通过促进循环变形中的孪生-退孪生行为来提高合金的循环承载能力。并且这种预孪晶能够提高表面腐蚀的均匀性，从而提高镁合金低应力幅值下的抗腐蚀疲劳性能。表面机械研磨处理可以通过抑制表面疲劳裂纹的萌生显著提高镁合金的疲劳寿命，即使在腐蚀环境下表面机械研磨处理镁合金的疲劳裂纹依旧在材料内部萌生。高压扭转处理产生的超细孪晶组织则可以大幅提高镁合金抗腐蚀特性，使镁合金表现出均匀腐蚀的特点。（2）通过层层自组装技术用力生长因子对ZEK100镁合金进行表面改性，研究了力生长因子改性镁合金的体内外降解性能，生物相容性和对骨愈合效果的影响。结果表明，力生长因子涂层能够有效地抑制镁合金的体外降解，并保持与人体骨骼相似的弹性模量。力生长因子改性镁合金并未引起植入部位的炎症，具有良好的生物相容性。在生物植入期间，力生长因子表面改性不仅抑制了镁合金的快速降解，还能促进骨骼的生长愈合。（3）基于不同腐蚀时间下的疲劳寿命数据建立了两种寿命预测模型。通过将Broberg损伤规律引入到PSD模型中提出了一种可用于预测镁合金的腐蚀棘轮疲劳寿命。另外，通过引入腐蚀影响因子c获得了一个修正的FP寿命预测模型，该模型能够有效预测ZEK100镁合金浸泡在PBS溶液中的腐蚀疲劳寿命。力学调控和表面改性镁合金研究能够促进新型生物镁合金的开发，腐蚀疲劳寿命预测方法的研究能够推动镁合金的临床应用，对骨科植入医学领域的发展有重要意义。