生物可降解Mg-Zn-Ca-Zr合金的体外降解行为及生物相容性研究

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随着生活水平的提高和老年人口的增多,心血管疾病的发病率呈明显升高趋势。心脏支架植入手术已经成为治疗心血管疾病最有效的措施。近年来,镁合金由于其独特的优势,已广泛被研究作为心血管支架植入材料。镁作为支架材料的突出优势:(1)镁的密度(1.74 g/cm3)与人骨密度(1.8-2.1 g/cm3)相近;(2)镁具有与人骨类似的力学性能,可有效避免应力遮挡;(3)镁的天然可降解性,可以避免二次手术取出,有效减少患者的痛苦;(4)镁的阳离子在人体含量中排第四位,微量镁离子的释放对人体有益。由于镁优异的天然属性,镁及其合金有望成为一种新型医用可降解心血管支架材料。本文选用Zn,Ca和Zr作为合金化元素,通过常规铸造法设计熔炼Mg-x Zn-0.5Ca-0.4Zr(x=2、3、4和5 wt.%)合金,并对Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金分别进行固溶时效和挤压处理,并获得不同微观组织的镁合金。通过微观形貌、失重析氢实验、电化学实验、血液相容性及细胞毒性反应合金的降解性能及生物相容性。通过研究镁合金在体外模拟环境中的降解行为,明确降解速率与合金微观组织间的相互作用关系。相关研究结果表明:(1)铸态Mg-x Zn-0.5Ca-0.4Zr(x=2、3、4和5 wt.%)合金微观组织变化:当x=2时,合金的相组成有α-Mg和Ca2Mg6Zn3相;当x=3,4和5时,合金的相组成有α-Mg和Mg7Zn3相;此外,随Zn含量的增加,合金平均晶粒尺寸逐渐减小。(2)铸态Mg-x Zn-0.5Ca-0.4Zr(x=2、3、4和5 wt.%)合金的腐蚀机理:Ca2Mg6Zn3相和Mg7Zn3相腐蚀电位均高于镁基体,在发生电偶腐蚀时Mg7Zn3相充当阴极,而镁基体充当阳极加速基体腐蚀;此外,不同的相形貌对合金腐蚀有不同的影响。当x=4时,沿晶界连续分布的片状Mg7Zn3相能阻碍腐蚀蔓延。结果表明,Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金耐蚀性最好(CR=0.815±0.078 mm/y)。(3)热处理态Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金相组成为α-Mg和Mg7Zn3相,热处理使Mg7Zn3相固溶进镁基体,削弱了电偶腐蚀对镁基体的腐蚀作用,热处理态合金耐蚀性提高;其中,T6(5h)态合金耐蚀性最好(CR=0.612±0.050 mm/y)。挤压态Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金相组成仍为α-Mg和Mg7Zn3相,晶粒明显细化且Mg7Zn3析出量减少;由于晶界处腐蚀电位稍高于镁基体,所以晶粒越细晶界越多,合金的耐蚀性越好;其中,挤压态E16-1合金耐蚀性最好(CR=0.425±0.040 mm/y)。(4)降解速率与生物相容性间的相互作用关系:铸态,热处理态和挤压态Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金的溶血率均低于5%,且挤压态溶血率最低;此外,L929细胞毒性实验说明合金浸提液无毒性,细胞相对增值率(RGR)均大于75%,且挤压态合金RGR值均大于100%;说明:合金的耐蚀性越好,溶血率越低,对细胞的增值越有利。
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