摘要
骨缺损是由创伤、感染、肿瘤切除以及先天性疾病等原因引起的骨科常见病，并且随着社会老龄化进程加速和医疗需求不断上涨，对骨缺损修复材料的市场需求将持续扩大。虽然自体骨移植、异体骨移植、陶瓷和高分子基合成材料已用于临床骨修复，但均存在各自的局限性。近年来，以铁（Fe）基、镁（Mg）基和锌（Zn）基金属材料为代表的生物可降解金属，由于具有良好的力学性能和降解性能，在骨缺损修复上表现出巨大的应用潜力。其中，与降解速率过慢的Fe基材料和降解速率过快的Mg基材料相比，Zn基材料不仅具有适中的降解速率，而且在降解过程中不会有气体的释放，有望成为下一代用于临床的骨缺损修复材料。虽然Zn基材料的降解速率适中，但与骨修复速率相比仍然较慢，且成骨活性有待进一步提高。如何在保持其优良力学性能的同时，提高Zn基骨修复材料的降解速率和成骨活性，成为其能否应用于临床的关键。 为解决以上问题，本文通过真空热压烧结法向Zn基体中同时加入了Mg和β-磷酸三钙（β-TCP）,制备出生物可降解Zn-Mg-β-TCP复合材料，并在此基础上设计了孔隙结构，最终构建了生物可降解多孔Zn-Mg-β-TCP复合材料支架。在整个研究过程中，根据“工艺参数的探索-多孔结构的设计-复合材料组分的确定-多孔复合材料的设计”的逻辑顺序，对各环节的研究对象从微观组织、力学性能、体外降解性能、体外细胞相容性和体内成骨性能方面进行了系统的测试和评估。主要研究结果如下： （1）在不同烧结压力（40、60和80MPa）条件下通过真空热压烧结法制备了块体纯Zn，发现材料的致密度随着烧结压力的增大而提高，并对材料的性能产生调控：材料的致密度越高，力学强度越高；不同致密度的样品在降解行为上也表现出一定差异；同时验证了各组纯Zn样品均不会对MC3T3-E1细胞的增殖产生抑制。由此确认了真空热压烧结法制备生物可降解Zn基材料的可行性，并建立了烧结压力与材料性能之间的关系，为后续复合材料的制备和多孔结构的构建提供了工艺参考。 （2）通过真空热压烧结法制备了不同孔隙率的多孔纯Zn支架，发现孔隙率对材料的性能产生调控：孔隙率越高，材料的力学强度越低，但降解速率会大幅提高；孔隙率越高，样品为MC3T3-E1细胞提供黏附和铺展的表面积越大，从而促进细胞的增殖。经过分析，具有适宜预设孔隙率（40?60%）的多孔纯Zn支架表现出更为优异的综合性能。此外，发现多孔纯Zn支架在金属腐蚀和降解产物脱落的共同作用下导致了降解的发生。 （3）通过真空热压烧结法制备了不同β-TCP含量的Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP（n=0,1,3,5,10）复合材料，其中Mg在Zn基体中以Zn2Mg和Zn11Mg2的形式存在，β-TCP弥散分布在Zn基体中。微观组织对材料的性能产生了调控：在第二相强化机制和位错强化机制的共同作用下，提高了复合材料的力学性能；Zn-Mg界面处形成的微电偶，以及β-TCP带来的大量腐蚀界面，共同加快了材料的降解；由腐蚀行为差异造成的离子释放浓度和表面微结构的变化，共同调控了MC3T3-E1细胞的增殖活性；为期24周的动物体内实验表明，Zn-Mg-β-TCP复合材料比纯Zn具有更好的成骨能力，这与β-TCP的加入密切相关。由此阐明了复合材料成分与微观结构主导的性能调控机制。 （4）通过真空热压烧结法制备了多孔Zn-1wt.%Mg-3vol.%β-TCP复合材料支架，其压缩屈服强度范围为58.46?71.04MPa，腐蚀速率范围为2.73?4.28mm/y。为期24周的动物体内实验表明，复合材料支架的降解过程与新骨生成过程同时发生，且随着时间的推进腐蚀产物与新生骨组织发生融合，实现了植入物的降解和骨缺损修复的协同。总体而言，多孔Zn-1wt.%Mg-3vol.%β-TCP复合材料支架在体内表现出良好的力学稳定性、可降解性和成骨性能。 综上所述，本文构建了生物可降解Zn-Mg-β-TCP复合材料及其支架，建立了材料组成、孔隙结构与力学性能、降解行为和骨修复能力之间的关系，对于理想的骨修复材料特别是大段骨缺损修复材料的开发和临床应用具有重要意义。
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