模擬生理應力環(huán)境中醫(yī)用鎂合金及其復合材料的降解行為

1、模擬生理應力環(huán)境中醫(yī)用鎂合金及其復合材料的降解行為生理應力在人體新陳代謝過程中發(fā)揮著極其重要的作用，同時也會影響可降 解植入器械的降解行為。醫(yī)用鎂合金在可降解骨科固定器械和血管支架領域具有 廣闊的應用前景，為此，本文探究了模擬生理應力環(huán)境中鎂合金及其涂層的降解 行為，設計并制備出了新型可降解鎂合金絲材/聚乳酸(Mg/PLA)復合材料,并系統(tǒng) 研究了模擬靜、動態(tài)生理應力環(huán)境中該復合材料的降解行為。研究了模擬靜態(tài)生理應力環(huán)境中純鎂及鎂合金的降解行為，揭示了應力和氯 離子的耦合作用機制。研究結果表明，應力和氯離子耦合作用會加速純鎂的降解, 在模擬體液中(SBF),外加拉應力為75MPa時純鎂降解速度

2、是無應力時的2.4倍； 通過電化學方法建立了純鎂及鎂合金降解速度與外加拉應力之間的定量關系，并 發(fā)現(xiàn)鎂的降解行為與載荷大小和形式有關，相較于拉伸載荷，其對彎曲載荷更為 敏感;最后提出了不同氯離子濃度生理環(huán)境中應力的作用機制。研究了模擬動態(tài)生理彎曲載荷環(huán)境中純鎂及其涂層的降解行為，弄清了動態(tài) 載荷(頻率和大小)的影響規(guī)律。研究表明低頻動態(tài)載荷會減緩純鎂的降解速度， 頻率為0.5Hz,應力峰值為16MPa時，純鎂降解24h后的腐蝕電流密度是靜態(tài)無應 力作用下的28%,這與動態(tài)載荷可促進Ca-P相沉積有關。對于表面有MgF2或MgO涂層的純鎂樣品,動態(tài)載荷主要通過加劇涂層破壞和 加速Ca-P相沉積這

3、兩個相反作用機制影響樣品的降解行為，載荷頻率較大 (2.5Hz )時，動態(tài)載荷對涂層的破壞行為起主導作用。鎂合金與聚乳酸在力學和降 解性能上具有互補性，本文構建了以鎂合金絲材增強聚乳酸的新型可降解 Mg/PLA復合材料體系。采用鎂合金絲材(鎂絲)定向增強、基體自增強或鎂絲二維編織增強等強化方 式,設計并制備出了可滿足不同性能需求（各向同性或各向異性）的Mg/PLA復合 材料。針對鎂絲定向增強的復合材料，采用有限元方法和等效截面法理論,建立了 復合材料彎曲性能與絲材分布形式之間的數(shù)學模型。復合材料具有優(yōu)異的抗沖擊性能，絲材含量為20vol%時，沖擊強度和斷裂時 間與純聚乳酸相比，分別提高了 15

4、.8和0.58倍，進一步通過有限元方法，闡明了 復合材料具有優(yōu)異抗沖擊性能的宏/微觀機制。研究了模擬靜態(tài)生理壓應力環(huán)境 中Mg/PLA復合材料的降解行為，結果表明，純聚乳酸和復合材料中聚乳酸基體的 降解動力學均服從阿倫尼烏斯方程。對于復合材料，微弧氧化鎂合金絲材的降解可以穩(wěn)定模擬體液pH值,并降低 聚乳酸基體的降解速度，但是，外加壓應力會降低聚乳酸降解的活化能和指前因 子,從而加速聚乳酸的降解。壓縮應力為1MPa時,純聚乳酸的活化能和指前因子 分別為57.54kJ/mol和9.74X 107day-1,而復合材料中聚乳酸基體為65.5kJ/mol 和 9.81X108day-1。提高降解溫度，可加速純聚乳酸和復合材料的降解，縮短降解實驗時間。降解 過程中純聚乳酸和復合材料的彎曲強度與聚乳酸分子量之間存在定量關系，該關 系與降解溫度和外加壓應力無關。最后，建立了純聚乳酸和復合材料的彎曲強度與聚乳酸分子量、活化能以及 降解時間和溫度之間的定量模型。研究了模擬動態(tài)生理壓應力環(huán)境中Mg/PLA復 合材料的降解行為，結果表明，動態(tài)壓應力會加速Mg/PLA復合材料和純聚乳酸的 降解,增大應力大小和頻率，其降解速度增大。動態(tài)應力對Mg/PLA復合材料降解性能的影響比靜態(tài)應力更為顯著。在動態(tài) 壓應力環(huán)境中，純聚乳酸和Mg/PLA復合材料中聚乳酸基體的早期降解行為服從 一階降解動力學規(guī)律，