模拟生理应力环境中医用镁合金及其复合材料的降解行为.docx

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1、模拟生理应力环境中医用镁合金及其复合材料的降解行为生理应力在人体新陈代谢过程中发挥着极其重要的作用,同时也会影响可降解植入器械的降解行为。医用镁合金在可降解骨科固定器械和血管支架领域具有广阔的应用前景,为此,本文探究了模拟生理应力环境中镁合金及其涂层的降解行为,设计并制备出了新型可降解镁合金丝材/聚乳酸(Mg/PLA)复合材料,并系统研究了模拟静、动态生理应力环境中该复合材料的降解行为。研究了模拟静态生理应力环境中纯镁及镁合金的降解行为,揭示了应力和氯离子的耦合作用机制。研究结果表明,应力和氯离子耦合作用会加速纯镁的降解,在模拟体液中(SBF),外加拉应力为7

2、5MPa时纯镁降解速度是无应力时的2.4倍;通过电化学方法建立了纯镁及镁合金降解速度与外加拉应力之间的定量关系,并发现镁的降解行为与载荷大小和形式有关,相较于拉伸载荷,其对弯曲载荷更为敏感;最后提出了不同氯离子浓度生理环境中应力的作用机制。研究了模拟动态生理弯曲载荷环境中纯镁及其涂层的降解行为,弄清了动态载荷(频率和大小)的影响规律。研究表明低频动态载荷会减缓纯镁的降解速度,频率为0.5Hz,应力峰值为16MPa时,纯镁降解24h后的腐蚀电流密度是静态无应力作用下的28%,这与动态载荷可促进Ca-P相沉积有关。对于表面有MgF2或MgO涂层的纯镁样品,动态载荷

3、主要通过加剧涂层破坏和加速Ca-P相沉积这两个相反作用机制影响样品的降解行为,载荷频率较大(2.5Hz)时,动态载荷对涂层的破坏行为起主导作用。镁合金与聚乳酸在力学和降解性能上具有互补性,本文构建了以镁合金丝材增强聚乳酸的新型可降解Mg/PLA复合材料体系。采用镁合金丝材(镁丝)定向增强、基体自增强或镁丝二维编织增强等强化方式,设计并制备出了可满足不同性能需求(各向同性或各向异性)的Mg/PLA复合材料。针对镁丝定向增强的复合材料,采用有限元方法和等效截面法理论,建立了复合材料弯曲性能与丝材分布形式之间的数学模型。复合材料具有优异的抗冲击性能,丝材含量为20v

4、ol%时,冲击强度和断裂时间与纯聚乳酸相比,分别提高了15.8和0.58倍,进一步通过有限元方法,阐明了复合材料具有优异抗冲击性能的宏/微观机制。研究了模拟静态生理压应力环境中Mg/PLA复合材料的降解行为,结果表明,纯聚乳酸和复合材料中聚乳酸基体的降解动力学均服从阿伦尼乌斯方程。对于复合材料,微弧氧化镁合金丝材的降解可以稳定模拟体液pH值,并降低聚乳酸基体的降解速度,但是,外加压应力会降低聚乳酸降解的活化能和指前因子,从而加速聚乳酸的降解。压缩应力为1MPa时,纯聚乳酸的活化能和指前因子分别为57.54kJ/mol和9.74×107day-1,而复合材料中聚

5、乳酸基体为65.5kJ/mol和9.81×108day-1。提高降解温度,可加速纯聚乳酸和复合材料的降解,缩短降解实验时间。降解过程中纯聚乳酸和复合材料的弯曲强度与聚乳酸分子量之间存在定量关系,该关系与降解温度和外加压应力无关。最后,建立了纯聚乳酸和复合材料的弯曲强度与聚乳酸分子量、活化能以及降解时间和温度之间的定量模型。研究了模拟动态生理压应力环境中Mg/PLA复合材料的降解行为,结果表明,动态压应力会加速Mg/PLA复合材料和纯聚乳酸的降解,增大应力大小和频率,其降解速度增大。动态应力对Mg/PLA复合材料降解性能的影响比静态应力更为显著。在动态压应力环境

6、中,纯聚乳酸和Mg/PLA复合材料中聚乳酸基体的早期降解行为服从一阶降解动力学规律,并通过实验阐明了复合材料中两组元协同降解过程。最后,建立了动态应力环境中纯聚乳酸和Mg/PLA复合材料的弯曲强度与频率、应力大小和降解时间之间的数学模型。