碱热及磷化处理Mg--4.0Zn--1.0Sr--0.4Ca合金的降解行为及生物性能的研究

摘要

镁合金作为新型的医用材料，凭借其与入骨非常相近的力学性能、良好的生物相容性、可降解性及其资源丰富等优势，受到越来越多科研人员关注。但是镁合金过快的降解速率严重阻碍其在医学上应用，因此如何控制镁合金降解速度与组织新生或者愈合速度之间的匹配，成为未来医用镁合金的主要研究方向，而表面改性是提高试样耐蚀性的最有效方法。 本课题制备了铸态的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金与Mg-4.0Zn-0.4Ca合金，比较合金元素Sr对合金显微组织、合金的力学性能和腐蚀性能影响。采用碱热处理和磷化处理两种方法对Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca进行表面处理，并利用X射线、扫描电子显微镜以及能谱分析仪对涂层进行表征;然后通过对有/无涂层Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金在人体模拟液(SBF)中的电化学性能实验以及浸泡腐蚀实验，来比较有/无涂层合金的耐蚀性;最后通过溶血率测定和小鼠植入实验，对有/无涂层Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金的生物相容性进行了研究。获得如下结果: (1)Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca与Mg-4.0Zn-0.4Ca合金的力学性能分别是:抗拉强度169.49MPa、110.36MPa;屈服强度80.12MPa、63.15MPa;维氏硬度82.13HV、70.94HV;并且对比金相图可以看出Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca晶粒分布均匀、晶粒较细。表明:Sr元素的加入细化了合金的晶粒，提高了合金的硬度、抗拉强度、屈服强度。 (2)Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca与Mg-4.0Zn-0.4Ca合金电化学腐蚀电位分别为-1.3812V、1.5066V;腐蚀电流分别为1.02×10-5A·cm-2、2.52×10-5A·cm-2。表明:Sr元素的加入使得合金的白腐蚀电位右移，腐蚀电流变小。 (3)对Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金分别进行碱热和磷化处理，碱热、磷化处理后的合金的电化学腐蚀电位分别为-1.32V、-1.312V;腐蚀电流为7.9953×10-6A·cm-2、1.0744×10-6A·cm-2。表明:经过表面改性的合金自腐蚀电位出现明显右移，腐蚀电流降低一个数量级。涂层的存在提高了合金的耐蚀性。 (4)将有/无涂层的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金在SBF溶液中分别浸泡2、4、8、11、14、17d，测量试样的失重率、SBF溶液的pH变化及其腐蚀后表面形貌观察，表明:涂层试样每一阶段质量损失均比无涂层试样要小，相应的浸泡液pH的增幅变化也远小于无涂层试样，涂层试样表面仅仅出现了少量的腐蚀坑。涂层试样在浸泡液中的降解速率明显低于无涂层试样。 (5)无涂层、碱热处理及磷化处理的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金的溶血率分别为3.9％、1.79％、0.3％，涂层试样的溶血率均低于5％，具有良好的抗溶血性能，涂层试样抗溶血性能明显更好。 (6)通过对参与植入实验的一个月后小鼠各器官检测，小鼠均出现不同程度的炎症，植入无涂层试样的小鼠处于炎症恢复期，腿部含有少量镁合金碎片;植入涂层试样的小鼠处于炎性急性期，腿部含有大量的镁合金碎片;表明:涂层减缓了试样在小鼠体内的降解腐蚀速率。

目录

声明

摘要

1．1引言

1．2生物医用材料

1．2．1生物医用材料的发展历程

1．2．2生物医用材料的分类

1．3生物医用金属材料的分类及其应用要求

1．3．1生物医用金属材料的分类

1．3．2生物医用金属材料的应用要求

1．4新型生物医用金属材料-镁基合金

1．4．1镁基合金作为医用材料的优势

1．4．2镁合金作为医用材料的不足问题

1．5医用镁基合金的应用前景

1．5．1合金化对镁合金组织及性能的影响

1．5．2镁合金表面改性

1．6本课题研究意义及其研究内容

1．6．1研究意义

1．6．2主要研究内容

第2章实验材料及方法

2．1实验材料的制备

2．1．1主要实验仪器

2．1．2材料的熔炼

2．1．3合金的热处理

2．2实验样品制备

2．2．1金相试样的制备

2．2．2拉伸样品制备

2．3降解腐蚀样品的制备

2．4机械性能分析

2．5腐蚀降解性能测试

2．5．1电化学实验

2．5．2浸泡腐蚀实验

2．6生物相容性的测试

2．7本章小结

第3章铸态镁合金的微观组织与性能

3．1铸态镁合金的微观组织

3．2铸态镁合金的性能

3．2．1合金的维氏硬度

3．2．2合金的拉伸性能

3．3铸态镁合金的电化学性能

3．4本章小结

第4章合金腐蚀与降解速率的控制

4．1．1碱热处理后涂层形貌及成分分析

4．1．2磷化处理后涂层形貌及成分分析

4．1．3涂层厚度及粗糙度

4．2电化学腐蚀实验

4．2．1合金的极化曲线

4．2．2合金的阻抗图

4．3浸泡实验

4．3．1失重率的变化

4．3．2 pH变化

4．4 Mg-4．0Zn-1．0Sr-0．4Ca合金浸泡腐蚀后形貌变化

4．4．1宏观形貌变化

4．4．2无涂层合金腐蚀后微观形貌及成分分析

4．4．3碱热处理的合金腐蚀后微观形貌及成分分析

4．4．4磷化处理的合金腐蚀后微观形貌及成分分析

4．5本章小结

第5章合金的生物相容性

5．1溶血试验

5．1．1实验材料

5．1．2实验过程

5．1．3实验结论

5．2植入实验

5．3植入实验结果分析

5．3．1 X线观察

5．3．2生物安全性检测结果

5．4本章小结

第6章结论

参考文献

致谢