不同电解液体系下Mg-2Sr合金表面微弧氧化膜层的制备与生物相容性研究

摘要

作为潜在的生物医用可降解植入体材料，镁合金具有以下优点:密度及弹性模量与人体骨组织较为接近，能有效的减少应力遮蔽效应，适用于骨组织修复及替代，从而促进骨组织生长;骨骼系统中的镁有利于骨生长及骨强度的提高，其溶解过程不产生任何副作用。然而，镁在人体内的降解速度过快，无法在新骨组织长成之前完成支撑任务。降解产生的氢气聚集在植入体周围，阻碍了伤口愈合，同时也提高了植入体周围组织的pH值，甚至发生碱中毒。镁的提纯，合金化及表面改性可以作为增强耐蚀性的三种不同解决方法。本实验采用锶元素合金化制备性能优良的Mg-2Sr合金，随后制备微弧氧化膜层，实现合金化和表面改性的结合。
　　本文的研究内容为不同电解液体系下Mg-2Sr合金表面微弧氧化膜层的制备与生物相容性研究。具体的，首先自行浇铸Mg-2Sr合金基体;其次对比了不同聚乙二醇含量的膜层的性能，并给出最佳添加量数值;随后研究了有机钙源（葡萄糖酸钙，乳酸钙）和无机钙源（碳酸钙，氢氧化钙）对微弧氧化膜层的组织结构，电化学行为和体外降解行为的影响;最后选择优化的钙源乳酸钙和碳酸钙，研究了钙磷摩尔比对微弧氧化膜层组织结构与生物活性的影响。
　　结果表明，Mg-2Sr合金中的一部分锶元素和镁结合生成中间化合物，另一部分锶元素则以固溶体的形式存在于合金中，合金的实际成分为Mg-2.24Sr。聚乙二醇的加入使得微弧氧化膜层的厚度略有降低且差别不大，含有8g/L的PEG1000电解液体系制备的膜层具有最大的结合力，为15.75N，且具有最强的耐蚀性及最低的降解速率，浸泡前2天内，试样出现了增重的现象。
　　以有机钙源和无机钙源制备的微弧氧化膜层浸泡后出现了Ca2P2O7(CCP)，Mg(OH)2，HA和Ca10-xSrx(PO4)6(OH)2(Sr-HA)等新的物相，Ca10-xSrx(PO4)6(OH)2相是元素Sr取代了羟基磷灰石中元素Ca的位置而形成的一种新的生物相容性磷灰石，该相可以促进骨植入体周围细胞的生长、繁殖和修复。以乳酸钙为钙源制备的膜层在SBF浸泡后的表面颗粒状腐蚀产物中钙磷相含量较高。以碳酸钙为钙源，钙磷比为1∶4和1∶5的膜层的腐蚀产物中出现了沿腐蚀裂纹分布纳米棒和纳米线状的物质，两种钙源下钙磷比为1∶4的膜层在SBF中浸泡21天后的失重率仅有13％，这利于保证植入体在体内环境的力学稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 镁合金的性能

1．2 新型医用镁合金发展现状

1．2．1 主加Ca元素的镁合金

1．2．2 主加Mn元素的镁合金

1．2．3 主加Zn元素的镁合金

1．2．4 主加Zr元素的镁合金

1．2．5 主加Si元素的镁合金

1．2．6 主加Sr元素的镁合金

1．3 镁合金表面微弧氧化改性技术概述

1．3．1 微弧氧化工艺参数研究-电解液与电参数

1．3．2 生物医学性能研究

1．4 本课题的研究内容

第2章 实验材料与测试分析

2．1 基体制备与加工

2．1．1 铸造与均匀化退火

2．1．2 线切割加工

2．2 微弧氧化膜层制备

2．2．1 电解液配方

2．2．2 电参数设定

2．3 模拟体液浸泡试验

2．4 性能检测方法

2．4．1 金相组织观察

2．4．2 膜层厚度测量

2．4．3 X射线衍射分析(XRD)

2．4．5 膜层微观形貌及成分分析(SEM，EDS)

2．4．6 傅里叶红外光谱(FT-IR)分析

2．4．7 电化学性能测试

2．4．8 力学性能测试

第3章 铸态Mg-2Sr合金的组织结构与性能研究

3．1 合金元素的选择

3．2．1 金相组织观察

3．2．2 相组成

3．2．3 XPS分析

3．2．4 显微组织与元素面分布

3．3．2 耐蚀性能和降解性能

3．4 本章小结

第4章 聚乙二醇添加剂对膜层性能的影响

4．1 添加剂选择

4．2 微弧氧化过程

4．3 膜层厚度及结合力

4．4 膜层的组织形貌

4．4．1 膜层的XRD图谱

4．4．2 膜层的FT-IR功能基团分析

4．4．3 膜层的表面形貌及成分分析

4．4．4 膜层的截面形貌及成分分析

4．5 膜层的耐蚀性能

4．6 膜层的生物活性及体外降解行为

4．6．1 SBF浸泡后膜层相组成及FT-IR功能基团分析

4．6．2 膜层的表面形貌及成分分析

4．6．3 试样失重及pH值变化

4．7 本章小结

第5章 不同钙源电解液制备的微弧氧化膜层性能研究

5．1 电解液选择

5．2 微弧氧化反应现象

5．3 微弧氧化膜层厚度及结合力

5．4 膜层的组织形貌

5．4．1 膜层的XRD图谱

5．4．2 膜层的FT-IR功能基团分析

5．4．3 膜层的表面形貌及成分分析

5．5 膜层的耐蚀性能

5．6 膜层的生物活性及体外降解行为

5．6．1 SBF浸泡后膜层相组成及FT-IR功能基团分析

5．6．2 膜层的表面形貌及成分分析

5．6．3 试样失重及pH值变化

5．7 本章小结

第6章 微弧氧化电解液中钙磷比的研究

6．1 钙磷比选择

6．2 膜层的组织形貌

6．2．1 膜层的物相

6．2．2 膜层的FT-IR功能基团分析

6．2．3 膜层的表面形貌及成分分析

6．2．4 膜层的面扫描及成分分析

6．2．5 膜层的截面形貌及膜层结合力

6．3 膜层的耐蚀性能

6．4 膜层的生物活性及体外降解行为

6．4．1 SBF浸泡后膜层相组成及FT-IR功能基团分析

6．4．2 膜层的表面形貌及成分分析

6．4．3 试样失重及pH值变化

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

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