可降解Zn基多孔骨修复支架材料的制备与性能研究

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骨组织缺损已成为影响人们健康和生活的重要疾病,当骨缺损量过大时,仅仅依靠骨组织自身的修复能力是无法愈合的,需要植入骨修复支架材料对病变部位进行结构替代以发挥力学支撑或者其它功能。近年来,锌作为骨修复支架材料的研究发展迅速,从中也发现了一些问题:强度低、降解速率稍慢、有一定细胞毒性。为了获得综合性能优异的骨修复支架材料,对纯锌进行合金化以及复合化处理是最常用的方法。本研究首先以铜和银作为合金元素,在改善纯锌力学性能的同时,调控腐蚀降解速率并赋予其更优的抗菌性能;以镁作为合金元素,β-磷酸三钙(β-TCP)作为复合强化相,探究在提高力学性能的同时,通过强化相的含量调控锌合金腐蚀降解速率并赋予其更优的生物活性;此外,本研究还探索采用粉体混合,SPS烧结工艺制备多孔骨修复支架材料,并进行了初步的表征和测试。本文主要研究结果和结论如下:采用气压渗流铸造法制备的多孔Zn、Zn-2wt%Cu、Zn-2wt%Cu-0.5wt%Ag系列支架材料以及多孔Zn-1wt%Mg-xvol%β-TCP(x=0,0.5,1,3)系列支架材料。孔洞相互连通并且均匀分布,平均孔径尺寸约为242~259μm,孔隙率约为60%左右。Zn-2Cu、Zn-2Cu-0.5Ag支架材料的压缩3%应变处的平台应力σy为16.17 MPa和23.71 MPa,弹性模量E为0.89 GPa和1.02 GPa。Zn-1Mg-xβ-TCP(x=0,0.5,1,3)支架材料压缩3%应变处的平台应力σy为13.22~16.89 MPa,弹性模量E为0.62~0.82 GPa。力学参数与人体松质骨力学参数接近。Zn、Zn-2Cu、Zn-2Cu-0.5Ag支架材料能很好诱导Ca-P化合物在样品表面沉积,Cu和Ag的加入会加快支架的降解。Zn-1Mg-xβ-TCP(x=0,0.5,1,3)支架材料随着β-TCP添加量的增多诱导Ca-P沉积的含量也在增多,呈现出良好的生物活性。多孔纯Zn支架对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌均具有抗菌能力,在纯Zn基础上添加Cu和Ag,抗菌能力又得到了显著加强。多孔Zn、Zn-2Cu、Zn-2Cu-0.5Ag支架材料对小鼠成纤维细胞(L929)和小鼠成骨细胞(MC3T3-E1)均表现出一定的毒性作用。Zn-1Mg-xβ-TCP(x=0,0.5,1,3)支架材料各成分之间对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的抗菌能力差异不大。Zn-1Mg-xβ-TCP(x=0,0.5,1,3)支架材料浸提液浓度稀释至25%时促进了小鼠成骨细胞(MC3T3-E1)的增殖。选取纯Zn和Zn-2Cu多孔支架植入SD大鼠股骨,Micro-CT分析发现两种植入材料周围均有成骨迹象,Zn-2Cu支架的降解速率快于Zn支架。各项血液生化指标均未发现炎症反应。组织学分析发现在植入后各个时间点两个多孔植入体周围有新形成的骨,并且随着时间的推移骨量增加。虽然体外测试稍有毒性,但体内评价表明多孔Zn-Cu(x=0,2)支架具有良好的体内生物相容性,在长期骨修复中安全可靠。采用放电等离子烧结法(SPS)制备出多孔Zn-xvol%β-TCP(x=0,0.5,1,3)材料,与熔炼方法相比,β-TCP能够稳定的引入复合材料中,并能够较均匀分布晶界。
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