关键词： 乳腺癌   阻断糖酵解   纳米体系   生物相容性   808nm激光作用  

摘要： 肿瘤糖酵解上调导致的乳酸蓄积，促进肿瘤细胞的侵袭和转移，然而目前阻断糖酵解来抑制肿瘤生长和转移的策略仍然存在许多挑战。第一，肿瘤深部乏氧加重，肿瘤糖酵解随着乏氧加重而进一步上调，产生的乳酸会不断促进肿瘤侵袭。第二，由于肿瘤组织存在着致密的细胞外基质(extracellular matrix，ECM)，抑制糖酵解的药物难以进入到肿瘤深部，使得深部肿瘤高度依赖糖酵解生存。第三，直接降解ECM来增加肿瘤渗透的方法会导致肿瘤转移风险的发生。这些局限性严重限制了抑制肿瘤糖酵解策略在抗肿瘤生长和转移方面的应用。　　为了增加肿瘤渗透，抑制深部肿瘤糖酵解，从而抑制乳酸的产生，解决由于乳酸蓄积导致肿瘤侵袭和转移的问题，且避免直接降解ECM导致的肿瘤转移风险的发生，本课题设计了阻断肿瘤糖酵解纳米体系。该纳米体系是通过薄膜分散法将乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA)和吲哚菁绿(Indocyanine green，ICG)包封到脂质体当中，形成纳米颗粒EDTA/ICG-Lip，利用酰胺化反应合成叶酸(folic acid，FA)与聚乙烯亚胺(polyethyleneimine，PEI)聚合物，通过静电相互作用修饰在脂质体的表面，形成了纳米体系FA-EDTA/ICG-Lip。在该纳米体系中，通过EDTA下调转化生长因子-β(transforminggrowthfactor-β，TGF-β)来减少ECM的产生，增加肿瘤渗透。同时，利用EDTA对镁离子(Mg2+)的鳌合作用，抑制深部肿瘤糖酵解。另外，利用光动力治疗(photodynamic therapy，PDT)诱导肿瘤细胞免疫原性细胞死亡(Immunogenic cell death，ICD)，并最终激活T淋巴细胞增强抗转移作用。选用脂质体作为载体，既可以防止在血液循环过程中EDTA提前鳌合金属离子，又可以提高ICG的稳定性，且修饰在脂质体表面的FA赋予了纳米制剂靶向性，增强在肿瘤部位的蓄积。　　本课题从以下三方面进行研究:　　(1)FA-EDTA/ICG-Lip纳米体系的制备与表征利用薄膜分散法制备得到EDTA/ICG-Lip纳米粒，然后通过静电相互作用将FA与PEI聚合物(FA-PEI)修饰在EDTA/ICG-Lip表面，得到FA-EDTA/ICG-Lip纳米体系。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)对FA-PEI进行结构表征，表明FA-PEI成功合成;利用透射电子显微镜(TEM)与纳米粒度分析仪考察体系的粒径电位和形态特征，结果表明FA-EDTA/ICG-Lip形貌为球形且具有良好的分散性，粒径为220±15.2nm，电位为-23.5±5.1mV。通过紫外光谱法和滴定法证明ICG和EDTA的成功包封，ICG和EDTA的包封率分别为89％和60％。体外释药实验结果表明，在pH5.0条件下可实现药物的释放，体外稳定性实验结果表明，在4℃条件下，在4天时间内，制剂具有较好的储藏稳定性。　　(2)FA-EDTA/ICG-Lip纳米体系体外抗肿瘤活性的研究体外抗肿瘤活性的研究以鼠源乳腺癌4T1细胞为考察对象，研究FA-EDTA/ICG-Lip的体外抗肿瘤能力。通过MTT法考察FA-EDTA/ICG-Lip抑制4T1乳腺癌细胞生长的情况;对于细胞对制剂摄取情况，分别采用了流式细胞术法及荧光显微镜法进行考察;利用紫外-可见分光光度法考察抑制肿瘤糖酵解情况以及验证抑制肿瘤糖酵解的作用机制;通过构建3D肿瘤球模型，考察纳米粒子对肿瘤球的渗透情况;利用划痕实验考察FA-EDTA/ICG-Lip抑制4T1细胞迁移能力;通过荧光显微镜观察活性氧(ROS)的产生。实验结果显示:FA-EDTA/ICG-Lip组在808nm激光作用下可有效抑制肿瘤细胞的生长。与其它组相比，FA-EDTA/ICG-Lip组细胞摄取能力强，对肿瘤球的渗透效果最好，且可以有效抑制肿瘤细胞迁移，同时能够产生大量的ROS。此外，EDTA对肿瘤糖酵解抑制作用具有浓度依赖性，且验证了EDTA对糖酵解的抑制作用是通过鳌合Mg2+来实现的。　　(3)FA-EDTA/ICG-Lip纳米系统抗肿瘤活性、体内分布及治疗肿瘤转移研究建立荷瘤BALB/c小鼠模型，通过小鼠肿瘤体积、体重变化和H&E染色病理组织切片研究纳米系统的抗肿瘤作用和毒副作用;利用体内成像实验研究纳米系统在小鼠体内分布;通过免疫荧光实验考察荷瘤小鼠肿瘤组织中TGF-β下调情况，以及胶原蛋白Ⅰ的减少情况，同时考察肿瘤组织中钙网蛋白(calreticulin，CRT)的暴露以及CD8+T细胞的分布情况;通过观察肺组织表面的转移性结节，以及肺组织病理切片来测定FA-EDTA/ICG-Lip的转移抑制效果。实验结果表明:活体成像实验显示在48h时，肿瘤部

关键词： 海水电池负极   量子化学计算   镁合金   合金化   性能  

摘要： 随着海洋开发的不断深入,迫切需要开发与之相适配的清洁能源。镁海水电池以海水为电解液,具有比能量高、安全、环保等优势,在海洋开发中有着重要应用。镁海水电池以镁合金为负极。开发具有高的电化学活性且利用率高的镁合金负极材料,成为海水电池研究的热点之一。本文采用量子化学模拟计算方法,探索了镁合金电极材料的合金化方案。在此基础上,研究了二元和三元镁合金的制备技术。采用XRD、SEM和XPS等分析手段,对镁合金的成分和结构进行了分析。采用电化学测试技术,研究了所制备镁合金的电化学性能,探讨了合金元素对镁合金性能的影响机制。本文分别以元素Yb、Al、Zn、Sn、Bi、Si、Ag和Ca对金属镁进行合金化。结果表明,对于铸态二元镁合金,当元素Al的含量超过8%时,元素Al和Mg形成金属间化合物MgAl。金属间化合物Mg17Al12的存在,能够使Mg-Al合金的放电电位负移,利用率提高。元素Bi以及元素Ca合金化,也能够使金属镁的放电电位负移,利用率提高。在Mg-8%Al合金中,进一步以元素Ca和Bi进行合金化,制备了Mg-Al-Ca和Mg-Al-Bi三元合金。结果表明,元素Ca的含量不超过1%时,随着元素Ca含量的增加,形成Mg-Al-Ca三元合金的放电电位负移。元素Bi的加入,在其含量不超过0.4%时,随着元素Bi含量的增加,形成Mg-Al-Bi三元合金的利用率升高。SEM分析表明,Mg-8%Al-0.4%Bi合金负极放电过程中,其表面均匀溶解,并形成存在大量微裂纹的氢氧化镁附着层。表面均匀溶解,提高了镁合金的利用率。附着层中大量微裂纹的存在促进电解质渗透到Mg合金基体,提高了镁合金的放电活性。3.5%NaCl溶液中的浸泡实验表明,Mg-8%Al-0.4%Bi合金的腐蚀集中在边缘区域,表现为应力腐蚀,具有最佳的耐腐蚀性能。本文开发的Mg-8%Al-0.4%Bi合金负极兼具优异的电化学性能及抗腐蚀能力,是一种理想的海水电池负极材料。

关键词： 镁合金   挤压   显微组织   拉伸性能   腐蚀行为  

摘要： 镁合金由于其良好的生物相容性和力学性能,具有发展成为新一代可降解生物材料的前景,受到了材料学和医疗领域学等众多研究者的关注。镁合金作为人体植入材料具有和人骨相近的密度和弹性模量,在人体服役期间可以避免应力遮挡效应,植入人体后可以在患者体内降解消失,避免了二次手术,降低医疗成本。镁合金降解后在生物体液环境中形成Mg,Mg在生物体中影响多种生物酶的效果,同时参与生物体神经系统及肌肉的活动,多余的Mg最终通过参与代谢排出体外。可见镁合金作为植入材料生物相容性较好,对人体无害。然而,目前商用镁合金中含有大量对人体有害的元素,例如Al、Ni、Pb等,商用镁合金作为植入体材料,其在生物体液环境中的降解产物会对人体造成不良反应,这极大的阻碍了生物医用镁合金的推广和应用。因此,需要对镁合金综合性能进行优化,添加对人体无害的元素作为合金化元素的选择,并通过热处理和变形处理改善镁合金微观组织、织构和变形能力,进而调控镁合金的力学性能和腐蚀速率。本文以Mg、Mg-0.8Ca、Mg-2.0Zn-1.6Ca为研究对象,对三种铸态材料进行力学性能试验、电化学试验和腐蚀产物分析,发现铸态材料的综合性能较差。鉴于此,通过合金熔炼、固溶处理、挤压强化对镁合金的性能进行提升。通过失重试验和电化学测试(开路电位扫描、动电位扫描、阻抗测试),探究了不同材料在模拟体液中的电化学腐蚀行为。通过EBSD测试对挤压后合金的晶粒尺寸、结构和晶粒取向进行了分析,探究了挤压温度的变化对内部织构的影响。将耐腐蚀性能和抗拉强度最优的材料进行微动磨损试验和螺钉拔出力试验,探究镁合金服役性能在SBF模拟体液中变化。通过对铸态材料的力学性能和耐腐蚀性能的研究发现,铸态Mg、Mg-0.8Ca、Mg-2.0Zn-1.6Ca的晶粒粗大,力学性能和耐腐蚀性能较差,无法满足生物植入材料的服役要求。三种铸态材料耐腐蚀性最优的是Mg,其次是Mg-0.8Ca,最差的是Mg-2.0Zn-1.6Ca。而另一方面Mg-2.0Zn-1.6Ca的综合力学性能最优,Mg的综合力学性能最差。说明合金化可以提高镁合金的硬度、抗拉和抗弯性能,但是合金化会产生第二相,第二相与镁基体之间会形成原电池,使镁合金的耐腐蚀性能变差。挤压后的合金晶粒明显细化,抗拉强度明显提高,挤压温度越低镁合金的抗拉强度越高。抗拉性能最优的是在300℃挤压下的Mg-2.0Zn-1.6Ca为393.96MPa,比购置的铸态Mg-2.0Zn-1.6Ca提高了490.65%。其次是在250℃挤压下的Mg-0.8Ca,抗拉强度为332.9628MPa,比购置的铸态Mg-0.8Ca提高了471.53%。说明热挤压使内部晶粒出现择优取向,织构强化效果明显。Mg-0.8Ca的耐腐蚀性能随着挤压温度的升高而降低,但是Mg-2.0Zn-1.6Ca的耐腐蚀性能随着挤压温度的升高而升高。对挤压后抗拉性能最优的Mg-2.0Zn-1.6Ca-300℃和耐腐性性能最优的Mg-0.8Ca-250℃合金进行微动磨损试验,发现干摩擦试验下的摩擦系数比添加SBF模拟体液试验下的摩擦系数小,说明SBF模拟体液会腐蚀基体表面,增大摩擦系数。将Mg-2.0Zn-1.6Ca-300℃和Mg-0.8Ca-250℃加工成螺钉,建立骨-螺钉模型。将该模型浸泡在SBF模拟体液中,每隔五天取出后进行螺钉拉出力试验,发现Mg-0.8Ca-250℃的螺钉拔出力变化小,服役性能好,是生物医用镁合金的理想选择。

关键词： 疲劳损伤   镁合金   静态拉伸   声发射   信息熵   幅值  

摘要： 镁合金作为一种工程常用材料其具有质量轻、刚性好、强度高等特点,目前已经被广泛应用于车辆制造、高速铁路、航空航天等现代工程领域。由其制造的多数工程构件在服役期间均承受交变载荷的影响,因而关于其抗疲劳特性的研究一直受到学术界和工程界的关注。镁合金材料在经历疲劳损伤破坏过程中,主要疲劳寿命消耗于以微裂纹萌生和短裂纹群演化为主要特征的早期疲劳阶段,现有检测手段还很难直接实现对其的完整监测和评估。针对材料早期疲劳阶段的检测和评估的研究是近年来疲劳损伤实验研究的重要方向。基于材料在发生微损伤过程中伴生的声发射现象,利用声发射技术对材料疲劳损伤进行检测和评价的研究受到关注。考虑到疲劳微损伤产生的声发射易受到疲劳加载过程中环境噪音的干扰,如何在材料疲劳损伤过程中获取有效的声发射信息成为研究的关键和难点。区别于文献中“在线”监测的思路,本文提出一种“离线”检测试验方案,既发挥了声发射对微损伤高度敏感的优势,又实现了对环境噪音干扰因素的消除。具体研究工作包括如下。(1)利用镁合金AZ31B在动载和静态下损伤破坏的相关性,构建了对疲劳加载后的镁合金进行静态拉伸并同时采集声发射信号的动静法试验方案,从而实现利用不同损伤程度下材料拉伸声发射性能的差异性来评价镁合金疲劳损伤状态的目的;(2)针对不同损伤程度的试件进行静态拉伸所采集的声发射信号,进行统计分析,研究声发射特征参数随循环加载次数变化的规律。研究发现,镁合金AZ31B随着疲劳循环加载次数的增加,幅值、能量、事件计数等声发射特征参数均有规律性的衰减变化,这表明循环加载造成的疲劳损伤可以利用声发射进行表征;(3)利用声发射数据构建了一个能够表征微损伤信号幅值尺度特征和应力水平特征的多元随机损伤变量,并利用信息熵分析方法对不同损伤程度的损伤演化规律进行表征,实现对疲劳损伤阶段性特征的表征;(4)对拉伸试件的断口进行SEM分析,定性获得不同疲劳损伤阶段损伤模式的差异性特征,并研究其与所获取到的疲劳损伤声发射规律的关系。(5)通过研究表明,不同循环次数加载后镁合金静态拉伸声发射信号中蕴涵了不同疲劳损伤阶段的差异性信息,具体表现在镁合金声发射信号的幅值强度和信息熵的明显变化,尤其是在总疲劳寿命的10%到20%之间损伤后其疲劳损伤模式存在明显结构变化,之后逐渐趋于稳定。实验结果表明声发射幅值强度和分布演化信息熵是疲劳损伤的敏感量,这为表征疲劳损伤对材料的劣化机理提供了一种试验观测手段。

关键词： AZ31B镁合金   温渐进成形   加热方式   成形性能   有限元模拟  

摘要： 镁合金作为一种轻质金属结构材料具有较多的优点,例如高比强度/比刚度、密度小和易回收等,在3C电子、航空航天、汽车和生物医疗等邻域具有广阔的应用前景。然而,镁合金在室温下的塑性变形性能较差,通常需在温热状态下成形,因此研究者在金属板材渐进成形的基础上开发出了各种温/热渐进成形工艺,但不同的加热方式对材料成形性能及零件质量有一定的影响,而目前有关这方面的研究较少。本文以AZ31B镁合金轧制板材作为研究对象,在单点渐进成形的平台上分别搭建了碳纤维电热管加热装置和热空气加热装置;通过成形变角度圆锥件和恒定成形角的方锥件,研究了加热方式和成形温度对镁合金板材温渐进成形性能及其成形零件力学性能的影响;其次,通过采用有限元数值模拟结合实验的方法,进一步研究了工艺参数对镁合金板材温渐进成形性能的影响。主要研究成果如下:分析表明:碳纤维电热管加热装置和热空气加热装置的加热性能和温度场分布有一定区别,且两者在成形过程中的温度场演化也不同;通过成形变角度圆锥件和恒定成形角的方锥件来研究加热方式和成形温度分别对镁合金板材温渐进成形性能及其成形零件力学性能的影响。结果表明:在150℃～275℃这个区间内,镁合金板材的成形性能随着成形温度的升高而增强。在相同成形温度下,采用碳纤维电热管加热时镁合金板材具有更好的成形性能,并且其成形零件也具有更好的力学性能。当成形温度为250℃时,镁合金板材具有较好的成形性能,且其成形零件也获得了最优的力学性能。基于ANSYS/LS-DYNA进行镁合金板材温渐进成形有限元数值模拟,得出了成形件的最大等效应力和壁厚最大减薄率均随着成形温度的升高或成形工具头直径的增大而减小、随着层间距的增大或摩擦系数的增加而逐渐增大。采用碳纤维电热管作为镁合金板材温渐进成形的加热装置,通过成形变角度圆锥件,以成形极限角作为镁合金板材温渐进成形性能的评价指标来研究工艺参数对镁合金温渐进成形性能的影响。结果表明:成形温度和层间距对镁合金温渐进成形性能的影响程度较大,而进给速率、工具头直径和润滑剂对镁合金温渐进成形性能的影响相对较小。

关键词： 壳聚糖   抗菌性能   生物相容性   水凝胶   纳米纤维  

摘要： 随着现代医用材料的迅速发展以及病原微生物危害的复杂化,应用于伤口愈合和组织工程等领域的抗菌医用材料在需求量稳步增长的同时,高性能化要求不断提高,不仅需要持续有效降低病原微生物对生物机体的危害,还应具备安全无毒、不引起宿主反应等特点。但是,目前多数添加型抗菌医用材料存在抗菌剂易溶出、抗菌效果持久性差以及生物相容性差等缺点。针对此问题,本论文选用具备良好生物相容性、生物降解性和广谱抗菌性的壳聚糖为基材,利用物理或化学改性手段制备了一系列抗菌性能优异的壳聚糖衍生物,而后通过溶液浇筑、化学交联和静电纺丝等技术构建了不同结构形态的抗菌医用材料:抗菌保护膜、水凝胶以及纳米纤维。探究了壳聚糖衍生物及其抗菌医用材料结构形态对吸水溶胀性、生物降解性、生物相容性和抗菌性能的影响,为开发不同领域需求的壳聚糖基抗菌医用材料的设计制备奠定理论与科学基础。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)首先,以N,N-二甲基乙醇胺,丙烷磺内酯和均三嗪为原料,合成一种带有反应性基团的两性离子磺酸甜菜碱中间体,然后以三嗪为桥基接枝到壳聚糖分子链上得到三嗪类磺酸甜菜碱改性壳聚糖(CS-SNCC),并对此壳聚糖衍生物进行表征,通过元素分析、核磁氢谱和红外光谱等测试方法确定化学结构。将改性后的壳聚糖衍生物通过溶液浇筑法制膜,研究膜的溶胀性能、降解性能、生物相容性、抗细菌粘附性能和抗菌性能。结果表明CS-SNCC膜具有良好的生物降解性和生物相容性,在溶菌酶的作用下21天内可降解45.54%;经过24 h和48 h培养,NIH-3T3成纤维细胞在膜上的存活率可达97.03%和92.36%;此膜可以在60 min内杀死93.43%的大肠杆菌和91.00%的金黄色葡萄球菌;另外与CS膜相比,CS-SNCC膜表面粘附的细菌数目分别减少了86.89%和94.19%,可以有效地抵抗细菌的粘附和生物被膜的形成。(2)三嗪类磺酸甜菜碱改性的壳聚糖取代度较低,且制备的膜材料的力学性能较差,刚性大。基于此,选用甲基丙烯酸酯磺酸甜菜碱(SBMA)通过过硫酸盐引发来对壳聚糖进行接枝共聚改性,以提高磺酸甜菜碱在壳聚糖上的取代度。然后通过与聚乙烯醇(PVA)复合来改善磺酸甜菜碱壳聚糖(CS-SBMA)膜的力学性能。CS-SBMA共聚物中的磺酸甜菜碱部分与壳聚糖及乙酰壳聚糖的比例达103.43:89.42:10.58,有效地提高了磺酸甜菜碱部分的含量和原料的使用效率。CS-SBMA/PVA复合膜具有与人类皮肤相适应的力学性能,其断裂强力和断裂伸长率分别为16.27-21.63 k Pa和41.27%-74.82%;此复合膜具有良好的吸液溶胀性能和酶降解性能,在PBS溶液中浸泡1 h吸液溶胀率最高可达188%,在溶菌酶的作用下21天内最大可降解55.74%;另外复合膜对NIH-3T3成纤维细胞的存活率均大于90%,并对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表现出了优异的抗菌性和抗细菌粘附性能及生物被膜控制功能。(3)甜菜碱改性的壳聚糖能明显改善壳聚糖的抗菌性和抗细菌粘附性及生物被膜控制功能,但溶液浇筑法制备的膜材料结构致密,在医用伤口处理中有一定局限性。而水凝胶作为一类以水为分散介质的网络交联结构材料具有较强吸水保水性能,在生物医用伤口材料应用方面有一定潜力。以甲基丙烯酸酯缩水甘油醚为改性试剂,合成了带有双键的壳聚糖衍生物(CS-GMA),通过核磁氢谱和红外光谱等表征手段确定其化学结构,在紫外光的引发下与带双键的磺酸甜菜碱小分子交联制备得到磺酸甜菜碱-壳聚糖水凝胶(CS-GMA/SBMA)。对水凝胶的物理化学结构、吸水性、酶降解性、生物相容性、抗菌性和抗细菌粘附及生物被膜控制功能进行研究。制备的CS-GMA/SBMA水凝胶具有空间网络多孔结构,可容纳更多的水分子,溶胀率和酶降解率分别可达3313%-3831%和56.77%-58.99%,比磺酸甜菜碱壳聚糖膜更优异。该水凝胶在60 min接触时间内可使97.76%-99.84%的金黄色葡萄球菌及96.65%-98.27%的大肠杆菌失活,且能有效地降低细菌的粘附和生物被膜的形成,并对NIH-3T3成纤维细胞具有良好的细胞相容性,无明显刺激性。(4)由于水合作用强,磺酸甜菜碱-壳聚糖水凝胶吸水多易破碎,力学性能较差会影响其应用性能。精氨酸聚酯脲聚氨酯伪蛋白聚合物分子链中含有聚氨酯片段结构,交联形成的水凝胶具有可控的力学性能,同时氨基酸伪蛋白生物材料因其结构中肽键和非肽键的存在,具有蛋白质和非蛋白质的双重特性,在生物医用材料方面具有独特的生物学性质。以带有交联性双键的精氨酸-聚酯脲聚氨酯伪蛋白与双键改性的壳聚糖进行交联制备了一类新型的可降解精氨酸伪蛋白-壳聚糖抗菌水凝胶材料,并对水凝胶的物理形貌、化学结构等进行了表征;测定了水凝胶的压缩力学性能,不同p H条件下水溶胀性能以及在

关键词： 细胞外基质   水凝胶   机械性能   生物相容性   3D打印  

摘要： 目的：　　优化皮肤和肾皮质细胞外基质水凝胶的制备过程，并使用交联剂对其进行改性并评估其机械性能、生物相容性等，判断交联的程度并筛选适宜的交联剂浓度。为得到更具有普适性的水凝胶，将皮肤和肾脏皮质水凝胶以一定配比混合并探究其作为生物打印墨水的潜力。　　方法：　　1.制备皮肤和肾皮质细胞外基质支架　　在去除猪毛和猪皮下组织后，将新鲜的猪皮切成均匀大小的块并用水充分冲洗。使用机械震荡法对猪皮进行去细胞处理，0.1%SDS作为去污剂，持续搅拌72小时（每24小时更换一次去污剂）。　　从猪肾外侧沿冠状面把肾脏一分为二后，将肾脂肪囊、肾窦和肾髓质进行剥离，保留外层厚度约为1-1.5cm的肾皮质部分并将其切成5×5×5mm3大小的块状。去细胞过程简要概述如下：先使用纯水对组织块进行冲洗，约6小时后根据实验分组将液体更换为0.1%、0.3%、0.5%的SDS溶液，持续搅拌24小时后换用纯水清洗残留去污剂。　　2.病理学检测　　通过对去细胞前后组织中DNA含量进行比较判断去细胞后核酸残留程度。通过组织学染色如HE染色、Masson三色染色、AB-PAS染色等评价去细胞后细胞外基质中主要成分如胶原、糖胺聚糖等的保留情况。　　3.细胞外基质水凝胶的制备、交联改性及混合细胞外基质水凝胶的制备　　去细胞支架组织在冷冻干燥后研磨成粉，经酸性胃蛋白酶水解，氢氧化钠中和后，在37℃恒温条件下可自组装成胶。依据实验分组在水凝胶成胶前加入不同浓度的京尼平对细胞外基质水凝胶进行交联改性。混合细胞外基质水凝胶则根据皮肤和肾脏水凝胶配比的不同进行制备。　　4.水凝胶性能表征　　通过多种技术手段对水凝胶进行表征，其中包括大体观察、扫描电镜观察、交联度检测、溶胀性能检测、体外降解速率检测、微观机械力学测定、傅里叶红外光谱和流变性能检测等。并使用凝胶电泳分析的方法对去细胞前后和胃蛋白酶消化前后主要蛋白组分的变化情况进行简要分析。　　5.生物相容性实验　　通过使用CCK-8和Liveamp;Dead细胞染色的方法检测在水凝胶材料上培养细胞的细胞存活率及生长状态。　　建立大鼠肾下极缺损模型并用水凝胶材料进行注射修补。术后在第1、2、4周取材并对移植物进行组织学染色，进而判断支架降解的情况。　　结果：　　皮肤和肾脏去细胞后，分别呈现白色不透明状和白色半透明状，且在去细胞肾脏组织中能够观察到明显的血管网络。使用DNA含量测定和组织学染色的方式对去细胞效果进行评价。结果显示去细胞后组织中DNA含量显著降低，组织学染色中均未见明显细胞核组分。不仅如此，在去细胞组织中还保持着组织原有的空间构架，特别是在肾组织中依然可观察到明显的肾小球结构。除此以外，细胞外基质的主要成分如胶原纤维和糖蛋白等也得到了保留。　　在制备皮肤细胞外基质水凝胶的过程中加入京尼平进行化学交联改性，成胶后原先呈白色的水凝胶变为了与京尼平剂量相关的深浅不一的蓝色。为进一步了解凝胶内部的变化情况，对凝胶断裂面进行电镜扫描，观察到水凝胶的空间结构随交联剂浓度的增加而更加紧密，但京尼平的加入并没有改变水凝胶中原有化学键的分布。使用多种方法对交联水凝胶性能进行表征后，各组水凝胶在交联程度和溶胀性能方面的差别并不明显，但在延缓水凝胶的降解和增强其力学性能方面均得到了提升。其中使用纳米压痕仪对水凝胶表面的微观力学进行测定的结果表明京尼平的浓度与水凝胶有效杨氏模量呈正相关。为进一步判断京尼平的安全浓度，利用细胞毒性实验筛选了不同浓度的京尼平对细胞增殖的影响，结果显示当京尼平浓度低于0.63mM时，对细胞几乎没有毒性。另外，在动物实验中，0.5mM的京尼平在体内具有良好的生物相容性。　　为筛选最佳配比的混合细胞外基质水凝胶，制备了四种浓度四种配比的混合水凝胶。在这些水凝胶中，5mg/ml混合水凝胶成型差;在8mg/ml混合水凝胶中，皮肤肾脏水凝胶为1∶1时成型差，3∶1时成型性相对较好;10mg/ml和15mg/ml各组水凝胶均具有良好的成型性，反映了混合细胞外基质水凝胶的成型依赖于凝胶中胶原蛋白的含量。继而对优化后的混合水凝胶进行交联改性，在对改性后的混合水凝胶进行流变学测定后发现水凝胶具有明显的剪切稀化行为，适合进行3D打印。除此之外，在使用水凝胶进行细胞培养时，混合水凝胶表现出良好的生物相容性。这也说明了混合细胞外基质水凝胶具有作为生物墨水的潜力。　　结论　　在本研究中，我们优化了肾皮质去细胞的方案，这是稳定制备肾皮质细胞外基质水凝胶的基础。与单纯细胞外基质水凝胶相比，京尼平交联改性后的水凝胶具有更强的机械性能和更缓慢的降解速度，同时也具有良好的生物相容性。此外，在本实验中优化了肾脏和皮肤的混合细胞外基质水凝胶的浓度和配比。相较于单纯肾皮质细胞外基质水凝胶而言有着更优的凝胶特性，其明显的剪切稀化行为也为3D打印生物墨水的进一步研制及

关键词： 辊系变形   弹性压扁和挠曲   弹塑性有限元法   有限元模拟   板材成形  

摘要： 镁合金板材轧制是一种可以获得高强度、更好的延展性和多样化力学性能的变形手段,也是镁合金板材实现大规模工业生产最经济有效的方法,因此轧后镁合金板材成形对于其工业化应用极为重要。但是镁合金轧制过程中容易造成各种板材缺陷,且板材成形质量的影响因素有很多。现阶段,板形预测和板形控制是镁合金板材轧制成形研究中最重要的模块,相关研究存在诸多问题,所以仍是镁合工业化应用需要研究的重要方向。本文以板材轧制成形理论和轧辊弹性变形计算理论为基础,阐述了有限元法在轧制中的应用,并根据实际轧制情况,以实验室二辊轧机为参照,将轧辊设置为弹性变形体,建立了AZ31镁合金板材轧制弹塑性有限元模型,通过对模拟结果进行总结分析,得到了轧制力的变化规律,分析了不同轧制工艺参数如压下率、板材宽度、轧制速度和轧制温度等对轧辊弹性变形程度的影响,并利用最小二乘法通过非线性回归,建立不同轧制参数下轧辊弹性挠曲和压扁变形模型,经验证,相关模型具有良好的拟合优度;此外,从轧后镁板的纵横向厚度差变化以及表面残余应力的大小和分布规律这几方面来衡量各轧制工艺参数对板材成形的影响,为准确地判断板材质量影响条件提供了一定的分析依据。为了验证本文所建AZ31镁合金板材轧制弹塑性有限元模型的准确性,采用实验室二辊轧机进行了轧制试验,并将实测结果与模型计算值进行对比验证,吻合情况良好。其中,获得的主要结论有:(1)压下率对工作辊弹性变形的影响较大,工作辊弹性挠曲度和压扁量随压下率的增加而增加;在轧制不同宽度镁板时,工作辊的弹性压扁量沿轧辊轴向长度分布形状均比较一致,变化趋势呈现出“帽檐”状;轧制速度越大,轧辊变形越大;轧制温度越高,轧辊变形越小。(2)压下率不同时,沿轧制方向轧后镁板的纵向厚度偏差波动很大;轧制宽度和轧制速度对纵横向厚度差均有明显的影响,厚度差的波动范围随宽度和速度的增大而增大;轧制温度对轧后镁板横向厚度偏差值的波动范围影响较大,随着轧制温度的升高,轧后镁板中部和边部的厚度差越来越小。(3)轧后镁板表面的残余应力值受轧制速度和温度的影响较为明显,残余应力最大值随速度和温度的增加而减小;残余应力的分布随着轧制温度的增大而变得更加均匀和稳定。

关键词： 镁合金   热挤压   力学性能   阻燃性能   氧化膜  

摘要： 本论文采用了2种不同方式向ME21合金中添加Ca元素,并针对该合金进行了一系列研究,并且探讨了热挤压工艺对合金的微观组织和力学性能的影响,比较了以2种不同方式添加Ca对于合金造成的不同影响,并且设计实验比较了合金的抗氧化性能和耐燃性。由实验结果得出结论如下:(1)铸态ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金的组织主要是粗大的晶粒组织,沿晶界分布极少量的合金相以及部分颗粒,基体中也存在着较多的颗粒,Mn单质颗粒和MgCe是合金中主要的第二相。Ca元素的加入使得ME21合金晶粒尺寸有所减小。经过固溶处理+热挤压工艺,ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金中粗大的晶粒转变为细小均匀的等轴晶。(2)DSC结果表明,铸态ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金中主要存在基体α-Mg和第二相MgCe、Mn单质颗粒,向ME21合金加入Ca O会生成某熔点在633℃左右的高熔点相,可能是MgCa。(3)铸态的ME21+Ca合金抗拉强度和屈服强度都高于铸态ME21合金,但延伸率会略有不如;相比于铸态ME21合金,铸态ME21+Ca O合金抗拉强度相差不大,屈服强度提高,合金延伸率明显降低。(4)经过热挤压处理后,三种合金的拉伸强度、压缩强度和延伸率都得到大幅改善。挤压态的ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金抗拉强度分别为322.5MPa、262.3MPa和248.2MPa,拉伸屈服强度分别为262.4MPa、234.9MPa和199.2MPa,延伸率分别达到9.4%、16.1%和18.1%。其中ME21+Ca合金具有最好的综合性能。(5)铸态ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金的起燃温度分别为822℃、849℃和870℃,加入Ca元素能很好提高ME21合金的耐燃性,这可能与加入Ca元素后合金氧化膜结构改变有关,即耐燃性能:ME21+Ca O>ME21+Ca>ME21。挤压态ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金的起燃温度分别是803℃、819℃和826℃。(6)由抗氧化测试性能结果以及TGA曲线可知,合金在470℃保温12h后,表面毛刺覆盖程度为ME21>ME21+Ca≈ME21+Ca O,TGA测试结束后试样增重程度为ME21>ME21+Ca O>ME21+Ca。综合上述实验结果可认为:抗氧化性能:ME21+Ca>ME21+Ca O>ME21。(7)采用XRD和SEM线扫描分析铸态ME21、ME21+Ca和ME21+Ca O合金的氧化膜后,确定ME21合金的氧化膜主要成分是Mg O和CeO,且Mg O位于氧化膜的外层,氧化膜的内层则是Mg O和CeO的复合层;ME21+Ca和ME21+Ca O的氧化膜主要由Mg O、CeO和Ca O组成,且ME21+Ca和ME21+Ca O合金氧化膜分为3层,即最外层的Mg O,次外层的Ca O和Mg O复合层,以及内层的CeO。

关键词： Mg-Nd-Zn-Zr合金   固溶处理   时效处理   超塑性   组织演变   空洞  

摘要： Mg-Nd-Zn-Zr系镁合金属于高强耐热镁合金,通过挤压可提高其强韧性,并细化晶粒,使其具有巨大的细晶超塑性的潜能。本文通过热处理研究了Mg-Nd-Zn-Zr合金挤压板材的组织稳定性。并获得了后续超塑性试验所需的组织状态。随后通过超塑性拉伸实验,以研究实验条件与内部组织对Mg-Nd-Zn-Zr合金超塑性能的影响。最后,分析讨论了挤压态Mg-Nd-Zn-Zr合金超塑性变形后的组织与空洞演变规律及其断裂机理。通过对初始晶粒尺寸为2.78μm的Mg-Nd-Zn-Zr合金挤压板材,在470℃～530℃下进行固溶处理后发现,由于第二相对晶界的钉扎作用,使其在500℃以下具有较好的组织稳定性。随后,在200℃下,对固溶处理(500℃×8h)后的合金,分别进行了1～16h的时效处理,发现随着时效时间的延长,合金的晶粒尺寸未发生变化,而第二相含量逐渐增大。经综合考虑,选取了固溶态(500℃×8h)与时效态(500℃×8h+200℃×8h)的组织状态,进行后续的超塑性拉伸实验。在350℃～500℃下以初始应变速度10s～5×10s进行超塑性拉伸实验。随着温度的升高与初始应变速率的降低,挤压态Mg-Nd-Zn-Zr合金的抗拉强度逐渐降低。在450℃-5×10s下,得到最大延伸率1015.50%。根据实验数据,计算出了Mg-Nd-Zn-Zr合金的超塑性特征参数,并建立了超塑性变形机制图(σ-T关系图)。温度为400℃～450℃时,主要变形机制为晶界滑移(GBS),在350℃～400℃以扩散蠕变为主,而在450℃～500℃下则以位错蠕变为主。同时在不同实验条件下,还伴随着其他调节机制。利用正交试验法,对固溶态与时效态Mg-Nd-Zn-Zr合金进行了400℃与5×10s下的超塑性拉伸实验。尽管两者的平均晶粒尺寸约为15.60μm,其延伸率仍普遍达到了300%以上。通过对比三种状态下的超塑性拉伸实验数据发现,平均晶粒尺寸的增大和相含量的增加,会使合金的抗拉强度提高,而延伸率下降。此外,晶粒尺寸的增大还会使超塑性特征参数发生改变。利用OM与SEM观察了挤压态Mg-Nd-Zn-Zr合金拉伸至断裂后的微观组织和断口形貌。在截面收缩量ψ≈95%处,平均晶粒尺寸与轴比随着温度的提高与初始应变速率的降低而逐渐增大。在对同一试样上不同位置的微观组织观察时发现,变形会加快原子的扩散速度,造成变形诱发晶粒长大(DIGG)的现象。而当合金内部应力集中过大时,会在第二相或三叉晶界处形成空洞,通过空洞的形核、长大与连接缓解应力集中,并最终造成材料的断裂。断裂方式以延性断裂为主,断口处含有大量的韧窝。