可吸收金屬鋅合金的降解與生物相容性.pdf

1、金屬材料廣泛應用于骨科，但臨床上大部分都存在應力遮擋問題，并需要二次手術取出。理想的骨科內(nèi)植物材料應在骨折的愈合過程中提供足夠的支撐力、良好的生物相容性、逐漸降解吸收，并且降解產(chǎn)物對人體也是無毒的。鎂合金作為可降解金屬，已經(jīng)研究了幾十年，具有促進骨生長、彈性模量與皮質(zhì)骨接近等優(yōu)點，大多數(shù)鎂合金的主要問題是降解太快不能維持足夠長時間的支撐。為了解決這個問題，通過添加不同的元素或表面改性，但鎂合金腐蝕過快、不能提供足夠長時間支撐等問題，仍然

2、沒有得到很好的解決。鋅的金屬活動性比鎂弱，有著較好的耐腐蝕性和較高的強度，降解過快的問題也比較容易解決，并且有著較低的化學反應性和更容易的可加工性。更重要的是區(qū)別于鎂合金的點腐蝕，鋅和鋅合金遇到的腐蝕形式一般都是均勻腐蝕，很少發(fā)生點腐蝕和晶間腐蝕。本課題旨在探討一種新型可降解金屬材料-鋅合金在體內(nèi)體外的降解、生物相容性及其抗菌性，為其在體內(nèi)的應用提供實驗依據(jù)。本研究將從四個方面展開:1.探討鋅合金的力學相關性能及在在模擬體液中的降解規(guī)律

3、;2.分析鋅合金對小鼠成纖維細胞L929的生物相容性和全身毒性反應;3.將鋅合金植入新西蘭大白兔骨內(nèi)，解析鋅合金在體內(nèi)的降解與生物安全性;4.鋅合金的抗菌性能。
　　第一部分:鋅合金的力學性能和降解特性
　　目的:
　　通過微觀組織、力學性能分析及模擬體液中降解的特性，驗證鋅合金作為可降解生物材料的可行性。
　　方法:
　　以鋅合金和純鋅作為研究對象，通過微觀組織分析、硬度、室溫屈服強度、延伸率等力學性能分

4、析、X線衍射、電化學腐蝕實驗和浸泡實驗等方法分析鋅合金材料的力學性能和在模擬體液的降解情況。
　　結(jié)果:
　　鋅合金的微觀組織基本均為等軸晶，抗拉強度189±10MPa，屈服強度157±15MPa，延伸率8.5％±1％，X衍射分析表明各鋅合金均處于單相固溶區(qū)。鋅合金的三種成分的合金在浸泡起始階段，腐蝕速率變化較大，而第4天左右腐蝕速率基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)定狀態(tài)的腐蝕速率約為0.15 mm/year，鋅合金在模擬體液中未見明

5、顯腐蝕，也未出現(xiàn)明顯裂紋和腐蝕坑，且鋅合金腐蝕相對均勻。在浸泡過程中，溶液的PH值變化趨勢是一致的，在浸泡初始階段隨浸泡時間的延長，PH值緩慢增大至7.8左右，浸泡后期，PH值又逐漸下降至7.1左右，三種成分的合金試樣腐蝕程度基本一致，程度均比較輕，腐蝕產(chǎn)物呈分散狀態(tài)分布于試樣表面，腐蝕產(chǎn)物為(Mg，Ca，Ag)等的磷化物或碳化物。
　　結(jié)論:
　　鋅合金的抗拉強度、屈服強度和延伸率等力學性能都滿足作為生物材料的要求，在模擬

6、體液中有著較好的抗腐蝕性能，在骨的愈合時間內(nèi)能提供足夠的力學強度，降解產(chǎn)物為(Mg，Ca，Ag)等的磷化物或碳化物。
　　第二部分:鋅合金的生物相容性
　　目的:
　　探討鋅合金對小鼠成纖維細胞L929的生物相容性、溶血實驗和全身毒性反應。
　　方法:
　　通過鋅合金浸提液與小鼠成纖維細胞L929共同培養(yǎng)1d、3d、5d，來觀察細胞形態(tài)和測細胞增值率來評價鋅合金的細胞毒性，通過溶血實驗探討材料對細胞的安全性

7、;通過比較注射材料浸提液測量注射前后體溫升高程度來進行熱源實驗，注射材料浸提液后觀察動物的一般機能表現(xiàn)、體重增長率和心、肝、腎組織切片來觀察全身毒性實驗結(jié)果。
　　結(jié)果:
　　鋅合金與小鼠成纖維細胞L929共同培養(yǎng)1d、3d、5d，均未發(fā)現(xiàn)毒性反應，細胞增值率與對照組相比無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)，細胞毒性分級在0-1級之間;溶血實驗中材料的溶血率均＜5％;熱源實驗注射后體溫升高均＜0.6℃;全身毒性實驗中，動物的一般機能

8、無明顯毒性表現(xiàn)，體重增長率與對照組無明顯差異(P＞0.05)，心、肝、腎組織切片未發(fā)現(xiàn)明顯病理改變。
　　結(jié)論:
　　鋅合金材料在細胞毒性、溶血實驗和全身毒性實驗中也表現(xiàn)出良好的組織相容性，作為生物材料有著較好的安全性。
　　第三部分:鋅合金體內(nèi)對新西蘭兔的生物相容性
　　目的:
　　初步探討鋅合金在動物體內(nèi)的降解特點、成骨特性以及材料降解后其產(chǎn)物對體內(nèi)心、肝、腎以及血鋅、肝腎功能等影響。
　　方法:

9、
　　將鋅合金植入新西蘭兔骨內(nèi)，骨隧道組作為對照，在不同時間點，測定外周血鋅離子、鎂離子、肝腎功能等，將心、肝、腎制成病理切片，在組織學上分析材料對動物重要器官的影響，通過X光片、Mic-CT觀察鋅合金在體內(nèi)降解情況，將材料與骨組織界面行硬組織切片，噴金后在掃描電鏡下觀察界面，通過元素映射分析元素在材料與骨組織界面分布。
　　結(jié)果:
　　鋅合金在骨內(nèi)24周仍能維持足夠力學強度;鋅合金降解后血鋅、血鎂、肝腎功能等與術前相

10、比無統(tǒng)計學差異(P＞0.05)，心、肝、腎在組織學上細胞結(jié)構(gòu)無改變;合金材料-骨組織經(jīng)樹脂包埋后甲苯胺藍染色在光學顯微鏡下觀察植入材料與骨組織界面發(fā)現(xiàn)無炎性細胞浸潤，無界膜樣物質(zhì)形成，并有新骨組織形成，表明鋅合金能促進骨組織形成，掃描電鏡下元素映射分析可以看到在材料與骨組織界面有較多的Ca元素分布，也驗證了促進骨組織形成的特點。
　　結(jié)論:
　　鋅合金在骨內(nèi)24周仍能維持足夠力學強度;鋅合金降解后能促進新骨形成，在體內(nèi)對骨組

11、織具有良好的生物相容性，對機體重要器官具有良好的生物安全性。
　　第四部分:鋅合金的抗菌性
　　目的:
　　評估鋅合金的抗菌性能。
　　方法:
　　抗菌實驗通過把材料和大腸桿菌或金黃色葡萄球菌共同培養(yǎng)，然后把稀釋的菌液加到固體培養(yǎng)皿上37℃培養(yǎng)24小時后，計數(shù)菌落。
　　結(jié)果:
　　通過和大腸桿菌或金黃色葡萄球菌共同培養(yǎng)，鋅合金表現(xiàn)出很強的抗菌性能。
　　結(jié)論:
　　把鋅合金作為可降