骨组织工程支架用新型多孔镁的力学性能

nanotoday

镁及其合金是一类很有应用前景的新型生物可降解医学材料。镁是人体中不可缺少的矿质元素之一，在体内可逐渐降解生成镁离子，并被周围肌体组织吸收或通过体液排出体外；镁的密度与人体骨密度极为接近；镁的弹性模量与人骨非常接近，可以有效减少应力屏蔽效应。因此，提出将多孔镁金属作为一种新型的骨组织工程支架材料。 镁的化学性质活泼，采用粉末冶金等传统方法制备多孔镁存在一定的技术难度。而根据骨组织结构的特点，利用金属材料优良的可加工性能，本文提出采用机械打孔加工技术制备直孔、连通型多孔镁金属。该方法的优点是制备出的多孔镁合金支架不仅其孔的形状为圆柱形、孔隙均匀、孔与孔之间相互贯通，更重要的是其孔隙率、孔径及孔的排布等参数易于调节。 本文利用有限元方法，在Marc/Mentat下建立了机械打孔加工法制备的直孔型多孔镁支架的压缩模型，关键点在于多孔金属的压缩曲线。分析了网格密度、基体材料及压缩方向对直孔型多孔镁支架力学性能的影响，并系统分析了孔隙率、孔径及孔的排布对多孔镁支架压缩性能的影响。通过正交实验，研究了对多孔镁压缩性能影响的最大因素，并初步探讨了多孔镁在压缩过程中的变形机制。 模拟计算结果表明，该直孔型多孔镁支架沿着三个坐标轴的力学性能均不相同，基体材料的力学性能对支架的力学性能存在较大的影响，屈服强度和杨氏模量随着网格密度的增加而下降。随着孔隙率、孔径值的增加和孔的排布角的减小，多孔镁压缩曲线下移，屈服强度和弹性模量随之下降，其中孔的排布角是对多孔镁压缩性能影响最大的因素。多孔镁的压缩变形规律符合金属的最小阻力定律。 利用机械打孔加工技术制备出孔径为500μm，孔隙率约为40%，孔排布角分别为60°和90°的两种不同多孔AZ31B镁合金支架，并通过压缩实验，对其在压缩条件下的应力应变行为进行了研究。通过模拟结果和实验结果对比可知，模拟计算得到的应力-应变曲线与实验测得的应力-应变曲线基本吻合。与其它骨组织工程支架材料相比，该新型多孔AZ31B镁合金支架的力学性能更为优异，更加符合骨组织工程支架的要求。本文的模拟研究结果对该新型多孔镁金属的力学性能评价以及在骨组织工程中的应用具有指导意义。