模擬生理應(yīng)力環(huán)境中醫(yī)用鎂合金及其復(fù)合材料的降解行為

1、模擬生理應(yīng)力環(huán)境中醫(yī)用鎂合金及其復(fù)合材料的降解行為生理應(yīng)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(lǐng)域具有 廣闊的應(yīng)用前景，為此，本文探究了模擬生理應(yīng)力環(huán)境中鎂合金及其涂層的降解 行為，設(shè)計并制備出了新型可降解鎂合金絲材/聚乳酸(Mg/PLA)復(fù)合材料,并系統(tǒng) 研究了模擬靜、動態(tài)生理應(yīng)力環(huán)境中該復(fù)合材料的降解行為。研究了模擬靜態(tài)生理應(yīng)力環(huán)境中純鎂及鎂合金的降解行為，揭示了應(yīng)力和氯 離子的耦合作用機制。研究結(jié)果表明，應(yīng)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(yīng)力為75MPa時純鎂降解速度

2、是無應(yīng)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(yīng)力之間的定量關(guān)系，并 發(fā)現(xiàn)鎂的降解行為與載荷大小和形式有關(guān)，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(yīng)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(yīng)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(yīng) 力作用下的28%,這與動態(tài)載荷可促進Ca-P相沉積有關(guān)。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(dǎo)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(gòu)建了以鎂合金絲材增強聚乳酸的新型可降解 Mg/PLA復(fù)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(shè)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(fù)合 材料。針對鎂絲定向增強的復(fù)合材料，采用有限元方法和等效截面法理論,建立了 復(fù)合材料彎曲性能與絲材分布形式之間的數(shù)學模型。復(fù)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(fù)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(yīng)力環(huán)境 中Mg/PLA復(fù)合材料的降解行為，結(jié)果表明，純聚乳酸和復(fù)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(fù)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的彎曲強度與聚乳酸分子量之間存在定量關(guān)系，該關(guān) 系與降解溫度和外加壓應(yīng)力無關(guān)。最后，建立了純聚乳酸和復(fù)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(yīng)力環(huán)境中Mg/PLA復(fù) 合材料的降解行為，結(jié)果表明，動態(tài)壓應(yīng)力會加速Mg/PLA復(fù)合材料和純聚乳酸的 降解,增大應(yīng)力大小和頻率，其降解速度增大。動態(tài)應(yīng)力對Mg/PLA復(fù)合材料降解性能的影響比靜態(tài)應(yīng)力更為顯著。在動態(tài) 壓應(yīng)力環(huán)境中，純聚乳酸和Mg/PLA復(fù)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，