Zn-Li合金的降解过程对其力学和生物学行为的影响及降解机制的研究

Patients with complicated bone fracture are commonly treated by surgical intervention. These implants are no longer useful to the patients after bone healing. If left inside the human body, they may result in stress-shielding, bone loss around the implant, and also increase the rate of post-operation infection and implant failure at the bone-implant junction. Patients sometimes are advised to undergo implant removal once the bone has healed. However, repeated surgery for implant removal will add costs to the health care system and increase morbidity to the patients. The development of biodegradable materials is thus a desirable advancement. Among various biodegradable materials, metallic materials such as zinc alloys are preferable for orthopaedic implantation because they possess an ideal degradation rate during the service span. The major obstacles to their use are the relative low mechanical strength. Our previous work has demonstrated that Zn-Li alloys with high yield strength, tensile strength and incredible ductility is a feasible option for biodegradable zinc alloys. However, little information is known about the degradation mechanism of mechanical and biomechanical integrity of the zinc alloys, the cytotoxic effects of released ions and osseointegration under in vivo conditions. The present proposal aims to investigate and understand the degradation mechanism of Zn-Li alloys through mechanical, biomechanical, short term and long term in vitro and in vivo studies. If the mechanism and its influence to cellular behaviours can be thoroughly investigated, this will definitely help streamline the zinc alloys for orthopaedic implantation.

骨折病人通常需要手术治疗，通过植入硬组织材料来辅助受伤组织的生长和愈合。然而组织愈合后，需要二次手术取出植入体，否则留在体内的植入体极易产生应力遮挡效应，导致骨骼强度降低，骨量流失，严重的会引起术后感染甚至植入失败。然而二次手术不仅增加了医疗成本，而且给病人带来很多痛苦，因此可降解生物材料的开发具有重要意义。在众多可降解材料中锌的降解速率较为适中，符合降解要求。然而纯锌较低的力学性能限制了其临床应用。此前我们采用合金化的技术制备了具有强韧性的锌锂合金，有效地提高了锌合金的力学性能，但该类合金的降解机制和体内外生物医学特性尚不清楚。本项目拟通过对不同腐蚀阶段锌锂合金的微观结构、力学性能、长短期及体内外生物学性能进行研究，深入探讨锌合金的降解机制，评估其临床应用的可行性。如能达到预期结果，将为骨科植入体的发展与临床应用提供重要科学依据。

骨折病人通常需要手术治疗，通过植入硬组织材料来辅助受伤组织的生长和愈合。然而组织愈合后，需要二次手术取出植入体，不仅增加了医疗成本，而且给病人带来很多痛苦，因此可降解生物材料的开发具有重要意义。在众多可降解材料中锌的降解速率较为适中，符合降解要求。然而纯锌较低的力学性能（强度低于100 MPa）限制了其临床应用。本项目通过对不同腐蚀阶段锌锂合金的微观结构、力学性能、长短期及体内外生物学性能进行研究，深入探讨锌合金的降解机制，评估其临床应用的可行性，为骨科植入体的发展与临床应用提供重要科学依据。.本项目发现了Zn-Li合金中的β/Zn片层组织，它在室温下具有压缩应变>30%的塑性，同时兼具高强度（压缩屈服强度为372 MPa），这源于其细密的近各向同性的片层状组织，相邻片层间距仅为500 nm。β相可以阻碍Zn相中的位错运动，同时Zn相又能缓解微裂纹的扩展。这解释了Li元素强韧化Zn的原理，为Zn-Li基合金的优化设计提供了科学依据。.本项目研发了热-温轧制专利技术解决了过共晶Zn-Li合金的脆性问题，获得了高性能Zn-0.5Li和和Zn-0.8Li合金板材，适合深加工为肋骨接骨板、颌面外科修复骨板和引导骨再生膜等多种植入医疗器械，为Zn-Li合金材料及技术的产业化转化提供了良好基础。热-温轧制合金形成了由Zn晶粒、纳米Zn析出相、β-LiZn4共晶片条和纳米β-LiZn4共格析出网络组成的多级结构，合金的屈服强度为246～262 MPa，抗拉强度为395～401 MPa，伸长率为47～81%。综合力学性能处于可降解医用锌合金的最高水平。.本项目揭示了Zn-Li合金在模拟体液（SBF）中的降解行为及腐蚀产物层的形成机理，为含Li元素的多种锌合金的可控降解提供了科学基础。浸泡早期合金表面形成了由纳米Li2CO3晶粒组成的致密稳定的多晶腐蚀层。浸泡3天后该腐蚀层厚度约为55 nm，显著阻碍Cl-离子的侵蚀，使合金趋近于均匀腐蚀。本项目研发的Zn-Li合金的综合性能较好，具有很高的应用价值，5项授权发明专利已在中关村高新技术企业进行了产业化转化。