镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内降解吸收等特点,成为一类极具临床应用前景的新型生物可降解(吸收)骨植入材料。目前可降解镁合金在骨科领域应用的研究主要集中在镁合金的力学性能、降解行为以及生物相容性等方面,然而对于镁合金的临床医学功能研究及其相应的材料设计却鲜有报道。本文的研究目的是针对某些具有特定生物医学功能的人体微量金属元素,将其作为合金化元素加入到镁中,利用镁合金在生理环境中降解形成的碱性环境以及持续释放合金元素离子等特点,赋予新型可降解镁合金促成骨、促血管化和抗细菌感染等多重生物医学功能,并确保其生物安全性和提供植入后的力学支撑作用,为发展新型可降解镁合金及临床应用提供理论支持和实验证明。为此,本文对两种新型可降解镁合金(镁锶合金、镁铜合金)开展了系统而深入的研究,获得了许多有意义的研究结果。本文首先在镁基体中添加具有促进骨骼发育和类骨质形成作用的锶(Sr)元素,设计并制备了不同 Sr 含量的 Mg-Sr 二元合金(Mg-0.25Sr,Mg-1.OSr,Mg-1.5Sr,Mg-2.5Sr)。通过研究Sr含量变化对铸态、均匀化退火态和挤压态镁锶合金的微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,表明镁锶合金的微观组织由α-Mg基体和Mg17Sr2第二相组成,Sr在镁合金基体中固溶度较小,主要以第二相的形式存在于材料中。铸态镁锶合金中一部分第二相弥散分布在晶粒内部,其余沿枝(晶)界分布。镁锶合金经过挤压变形之后,晶粒明显细化,第二相尺寸减小。与铸态镁锶合金相比,挤压态镁锶合金的力学性能明显提高,抗压强度与人体皮质骨相匹配,且随合金中锶含量的升高先增加后降低(Mg-1.5Sr达到最大值)。铸态镁锶合金随着锶含量的增加,耐腐蚀性先升高后降低,Mg-1.5Sr的腐蚀速率最低。挤压态镁锶合金耐腐蚀性与铸态相比明显提高。选择力学性能和耐腐蚀性能等综合性能优异的挤压态镁锶合金作为研究对象,通过溶血实验、细胞毒性实验、细胞骨架及活死细胞染色实验、碱性磷酸酶活性检测实验、细胞外基质矿化及胶原蛋白检测实验、内皮细胞迁移实验、体外三维血管化形成实验、大鼠体外血管环实验、成骨和成血管化相关基因表达检测实验、抗菌实验等,系统全面地对挤压态镁锶合金的生物安全性和可能具备的特定生物医学功能进行了探索研究。研究结果表明,挤压态镁锶合金不会引起溶血现象,而且满足外科植入材料的细胞毒性水平要求。在生物功能化方面,挤压态镁锶合金浸提液对MC3T3-E1细胞的粘附、增殖和分化有明显的促进作用,其中Mg-1.0Sr和Mg-1.5Sr浸提液的促进作用尤为明显,而且能够调控成骨相关基因的表达。与此同时,挤压态镁锶合金浸提液还能够促进HUVECs细胞的增殖和迁移以及毛细血管网状结构的形成,能够调控血管化相关基因的表达。此外,挤压态镁锶合金在生理环境中降解产生的高碱性对骨科常见的金黄色葡萄球菌具有强烈的杀灭作用。上述研究结果表明,挤压态镁锶合金具有良好的促成骨、促血管化以及抗细菌感染等生物医学功能。由于体液的缓冲作用会减弱镁合金降解产生的碱性环境,使植入物周围组织环境的酸碱度逐渐趋向于人体正常的中性水平,导致碱性环境抗菌的作用减弱或消失。因此,本文将具有强烈抗菌作用、对人体生物功能有益的铜(Cu)元素添加到镁中,设计并制备不同Cu含量的镁铜合金(Mg-0.03Cu、Mg-0.19Cu、Mg-0.57Cu),希望能够在碱性抗菌作用的基础上实现铜离子的协同抗菌效果。通过研究铜含量变化对铸态镁铜合金微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响,表明镁铜合金的微观组织由α-Mg基体和Mg2Cu第二相组成。随着合金中铜含量的增加,铸态镁铜合金的晶粒尺寸变化不大,析出的第二相含量增加,弥散强化作用增强,使铸态镁铜合金力学性能在植入初期能够满足骨植入材料的使用要求。铸态镁铜合金在模拟体液中会发生腐蚀降解,降解速率高于铸态纯镁。由于第二相造成的电偶腐蚀作用,铸态镁铜合金的耐腐蚀性随着铜含量的升高而降低。铸态镁铜合金在降解过程中镁离子和铜离子不断溶出,溶出速率在人体能够承受的范围之内,因此不会影响到生物安全性。溶血实验和细胞毒性实验结果表明,镁铜合金具有良好的血液相容性和细胞相容性。抗菌实验结果表明,铸态镁铜合金对金黄色葡萄球菌具有碱性抗菌和铜离子抗菌相结合的双重抗菌作用,表现出优异的抗细菌感染功能。此外,当合金中铜的加入量较低时,镁铜合金还兼具一定的促成骨和促血管化功能。