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《西南大学》 2019年
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铁基合金的体外降解行为及生物相容性研究

刘若愚  
【摘要】:生物可降解医用金属材料因其独特的性能受到人们的广泛关注,尤其是在血管支架植入及骨科植入物方面展现出广阔的应用前景。在已开发的生物可降解医用金属中,铁基合金因其具有良好的力学性能和生物相容性而引人注目。然而,其降解速率十分缓慢,难以满足临床应用的实际需求。因此,如何加快铁基合金的腐蚀速率成为生物可降解医用铁基合金必须面临的重要问题。基于此,本论文主要围绕可降解铁锰系列合金的力学性能、降解性能和生物相容性展开研究。通过水冷铜模快速凝固方式制备了Fe-30Mn-XAg(X=0,1,2,5,10 wt.%)系列合金,采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其微观组织进行表征,发现其是由面心立方结构的奥氏体相和密排六方结构的马氏体相组成;通过透射电子显微镜(TEM)进一步对Fe-30Mn-5Ag合金中析出颗粒进行检测,发现其为Ag_3Fe_2相;通过压缩实验发现,Fe-30Mn-XAg系列合金力学性能与纯铁相比有了显著的提高,并且随着银含量的增加,其屈服强度也随之增加,这主要归因于晶界处析出的富银颗粒及晶粒尺寸发生细化的共同作用;通过在模拟体液Hank’s溶液中进行静态浸泡测试与电化学测试发现,Fe-30Mn-XAg合金降解速率相比纯铁和Fe-30Mn合金有所提高,分析认为是晶界处析出的富银颗粒Ag_3Fe_2相与Fe-Mn合金基体之间形成了微电偶腐蚀导致。然而,Fe-30Mn-XAg系列合金的降解速率并未随着银含量增加而持续提高,在含银量为5wt.%时,其降解速率最快;采用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌对Fe-30Mn-1Ag合金进行抑菌测试,结果发现其并没有明显的抑菌效果;对于Fe-30Mn-XAg合金的细胞毒性,则采用人脐静脉内皮细胞在稀释过的合金浸提液中的细胞活性进行评价,实验表明,在培养一天时,除了Fe-30Mn-1Ag合金外,其余合金并没有明显的细胞毒性。在浸提液中培养了2天和4天后,尽管细胞活性有所下降,但细胞活性仍然高于75%,而且通过对静态浸泡实验的溶液进行离子浓度检测,其释放出的离子浓度远低于可能达到对人体有害的阈值;通过接触角测量仪研究去离子水在Fe-30Mn-XAg合金表面的润湿性,发现该系列合金的接触角都处于有利于细胞粘附的范围之中;通过振动样品磁强计研究发现,该系列合金的磁化率远低于纯铁,与不锈钢相当,说明当前开发的系列合金具有良好的核磁兼容性。Fe-30Mn-1C-XP(X=0,1,2,3,4 wt.%)系列合金也是通过真空电弧熔炼炉在氩气保护氛围下熔炼而成。通过X射线衍射和扫描电子显微镜检测其微观结构,发现随着P含量的增加,其由单一的奥氏体相转变为由奥氏体相和马氏体相共同组成;室温压缩实验结果发现,其压缩屈服强度远高于Fe-30Mn合金,并且随着P含量的增加而增加,当P含量为4%时,其压缩屈服强度达到755MPa;在Hank’s溶液中进行电化学测试发现,Fe-30Mn-1C-XP合金的降解速率与不添加P元素相比有了明显提高,且随着P含量的增加而增加,添加4%P之后,其腐蚀速率约为Fe-30Mn-1C-1P合金腐蚀速率的2倍;对Fe-30Mn-1C-XP系列合金进行细胞毒性检测,在稀释浓度为10%的浸提液中培养小鼠成纤维细胞,在经过1、2、4天培养之后,细胞活性基本都在70%以上,证明其没有明显毒性;在Fe-30Mn-1C-XP系列合金表面进行静态接触角的测量,发现其接触角范围为60-70°,均位于合适的细胞粘附范围,有利于植入体内后细胞的粘附。因此,本论文工作所开发的Fe-30Mn-XAg和Fe-30Mn-1C-XP系列合金,有望用作新型生物医用可降解金属材料。
【学位授予单位】:西南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:R318.08;TG141

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