论文总字数：27018字

摘 要

在骨组织修复材料领域，制备可降解生物医用材料用于替代惰性金属材料是目前的研究热点。聚乳酸-镁合金复合材料将聚乳酸和镁合金的性能互补，是具有良好应用前景的新型可降解生物医用材料。降解性能是聚乳酸/镁合金复合材料的核心性能，研究其降解性能对于聚乳酸镁合金复合材料的开发有着重要的意义。本文采用元胞自动机方法模拟了聚乳酸-镁合金复合材料的降解过程，研究了镁合金含量和材料尺寸对复合材料降解的影响。全文主要结论如下：

根据聚乳酸降解的加速反应-扩散模型和镁合金的腐蚀动力学方程，采用固定时间步长的蒙特卡罗算法和有限差分法，建立了聚乳酸/镁合金复合材料的二维元胞自动机模型，并通过与实验数据的对比验证了模型的可行性。模拟研究表明，随着镁合金含量提高，聚乳酸的降解速率降低，镁合金腐蚀速率加快。复合材料尺寸增大会同时促进聚乳酸的降解和镁合金的腐蚀。当降解时间较长时，聚乳酸基体发生加速反应，聚乳酸和镁合金均快速降解。

关键词：聚乳酸 镁合金 元胞自动机模拟 加速反应 降解

Abstract

The preparation of biodegradable biomaterials to replace inert metal materials is a research hotspot in the field of bone tissue repair materials. Poly lactic acid-magnesium alloy composites, which utilize the complementarity of properties of polylactic acid and magnesium alloy, are novel biodegradable biomaterials with good application prospects. Degradability is the core property of poly lactic acid-magnesium alloy composites. It is very important to study its degradation performance for the development of poly lactic acid-magnesium alloy composites. In this paper, cellular automata method is used to simulate the degradation process of poly lactic acid-magnesium alloy composites, the effects of different magnesium alloy content and material size on the degradation behaviors of poly lactic acid-magnesium alloy composites are investigated. The main conclusions are as follows.

A two-dimensional cellular automata model of poly lactic acid-magnesium alloy composites is established using fixed time step Monte Carlo algorithm and finite difference method on the basis of the accelerated reaction-diffusion model of polylactic acid degradation and corrosion kinetics equation of magnesium alloy. The feasibility of the model is verified by comparing with the experimental data. The simulation results indicates that the degradation rate of poly lactic acid decreases while the corrosion rate of magnesium alloy increases with the increase of magnesium alloy content. The increase of composite size promotes the degradation of poly lactic acid and the corrosion of magnesium simultaneously. An accelerated reaction happens in poly lactic acid matrix while both poly lactic acid and magnesium alloy degrades rapidly when the degradation time is longer.

Keywords: poly lactic acid, magnesium alloy, cellular automata simulation, acceleratable reaction, degradation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 聚乳酸/镁合金复合材料研究现状 1

1.2.1 聚乳酸的性质及研究现状 1

1.2.2 可降解生物医用镁合金材料的研究现状 2

1.2.3 聚乳酸复合材料的研究现状 2

1.2.4 聚乳酸降解模拟的研究现状 3

1.2.5 镁合金材料腐蚀模拟的研究现状 4

1.2.6 聚乳酸/镁合金复合材料降解计算机模拟的研究现状 4

1.3 研究目的及主要研究内容 5

1.3.1研究目的 5

1.3.2主要研究内容 5

第二章 聚乳酸/镁合金复合材料降解的元胞自动机模拟 6

2.1 聚乳酸降解的二维元胞自动机模型 6

2.1.1 模拟假设 6

2.1.2 聚乳酸的分子量分布模型 6

2.1.3 聚乳酸的水解速率方程 7

2.1.4 断链过程的蒙特卡罗模拟和再结晶模拟 7

2.1.5 低聚物扩散模拟 8

2.1.6 聚乳酸降解模拟的总体算法 8

2.2 镁合金腐蚀的元胞自动机模拟 9

2.2.1 模拟假设 9

2.2.2 镁合金的腐蚀动力学方程 10

2.2.3 离子扩散模拟 10

2.2.4 镁合金腐蚀的总体算法 10

2.3 聚乳酸/镁合金复合材料降解的元胞自动机模拟 11

2.3.1 模拟假设 11

2.3.2 复合材料中聚乳酸降解动力学方程 12

2.3.3 复合材料降解模拟的总体算法 12

第三章 材料尺寸对聚乳酸/镁合金复合材料的降解影响 13

3.1 复合材料的体积对复合材料降解性能的影响 13

3.1.1 材料尺寸对复合材料中氢离子浓度的影响 14

3.1.2 材料尺寸对复合材料中质量损失的影响 14

3.1.3 对复合材料中低聚物分布的影响 16

第四章 镁合金含量对聚乳酸/镁合金复合材料的降解影响 18

4.1 镁合金含量对复合材料的降解影响 18

4.1.1 镁合金含量对复合材料质量损失的影响 18

4.1.2 镁合金含量对复合材料中低聚物分布的影响 19

4.1.3 镁合金含量对复合材料中氢离子分布及氢离子含量的影响 21

3.1.4 镁合金含量对复合材料降解过程中各节点反应次数的影响 23

4.2 实验数据拟合 24

第五章 加速反应对复合材料降解行为的研究 27

5.1 加速反应对复合材料降解行为的研究 27

5.1.1 加速反应对复合材料中数均分子量变化的影响 27

5.1.2加速反应对复合材料中氢离子浓度的影响 28

5.1.3 加速反应对复合材料中质量损失的影响 28

第六章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1 引言

临床用于骨内固定的材料主要是惰性金属材料，惰性金属材料力学性能良好，可以用于骨组织愈合过程早期的固定，但由于力学性能与人体致密骨不匹配，会出现“应力遮挡效应”，导致骨质疏松或自身骨退化等问题，需要二次手术去除，且这些金属在腐蚀的过程中会释放有毒金属颗粒和离子，造成骨植入失败，甚至损伤人体。因此新型骨固定材料是目前骨修复材料的研究热点，如何解决材料降解性能难控制和降解产物对人体有害等问题是目前研究的主要方向。

近年来研究者提出用可降解材料代替目前临床所使用的不锈钢等金属骨固定材料，其中可降解复合材料具有降解产物对人体损伤小，降解速率易于控制等优点，能很好的解决目前惰性金属骨固定材料存在的问题，作为全新的生物可降解材料有着很好的应用前景。

1.2 聚乳酸/镁合金复合材料研究现状

1.2.1 聚乳酸的性质及研究现状

生物可降解聚合物，主要是脂肪族聚酯，在生物医学领域有着非常理想的应用，目前被用作一次性产品（如注射器、血袋）、辅助材料（如缝合线、骨板和密封剂）、人造材料、组织/器官（如人工心脏、肾脏、眼睛和牙齿）和控制释放制剂，用于各种药物或激素。所有这些应用主要依赖于聚合物在提供所需功能后自行降解。聚乳酸（英文：Polylactic Acid 或 Polylactide, PLA）作为一种脂肪族聚酯，目前在生物医学领域进行了大量的研究，其结构如图1-1所示。

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