Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金腐蚀降解行为与生物性能研究

摘要

作为可降解生物金属材料，镁及镁合金与自然骨的抗拉强度、抗压强度、弹性模量和密度均比较相似，力学相容性以及生物相容性好，因此，镁及镁合金逐渐成为最具有开发潜力的可降解生物材料。本文采用热挤压变形和时效处理等工艺方法制备生物Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr（x=l，2wt％）合金，利用电化学腐蚀实验和浸泡腐蚀降解实验，对比研究不同状态合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀降解速率；通过采用OM，SEM，XRD等技术手段对腐蚀后的试样表面及腐蚀产物形貌进行分析，探究其腐蚀类型和腐蚀程度及腐蚀机理；借助MTT法考察不同Mg-8Gd-4Y-xZn（x=0，1，2，3wt%）合金对小鼠预成骨细胞（MC3T3-E1）、人骨肉瘤细胞（Saos-2）、骨髓间充质干细胞（hTMSC）的细胞毒性。得到以下结论：
　　（1）时效处理后Mg-8Gd-4Y-1Zn-0.5Zr合金析氢量从28ml降至20ml，腐蚀速率从7.247mm/a降至5.691mm/a，而Mg-8Gd-4Y-2Zn-0.5Zr的析氢量从30ml降至23ml，腐蚀速率从8.748mm/a降至7.164mm/a。由此可见，时效处理减轻了合金的腐蚀。
　　（2）SEM形貌显示腐蚀产物均为片层状龟裂结构，大部分比较平整，出现了典型的点蚀坑。时效过程中，合金发生了静态回复，空位数量、位错密度降低，残余应力得以释放，有利于合金耐蚀性能的提高。XRD结果表明，腐蚀产物主要由Mg（OH）2组成，并掺杂有MgO、Mg3（PO4）2、Ca（PO3）2等物质。时效后合金的开路电位、极化曲线趋于向正移动，腐蚀电流减小，高频容抗弧也随之增大，合金耐蚀性都有所增强，腐蚀速率有所降低。
　　（3）合金在SBF溶液腐蚀过程中，合金表面会发生反应析出大量的H2，随着溶液不断的被碱化，浸泡10h后溶液pH达到10.5左右。挤压态合金在SBF溶液中的腐蚀速度高于时效态合金的腐蚀速度。试样的离子浓度在SBF和培养液中规律基本一致，在时效态合金中的析出量较挤压态合金的低。
　　（4）MC3T3-E1细胞、hTMSC细胞在Mg-8Gd-4Y-xZn（X=0，1，2，3wt%）浸提液中培养1天和3天后，当浸提液浓度为100%时，合金的细胞毒性均属于无毒或微毒范畴，当浸提液浓度为50%和25%时，细胞增殖率达到80%以上，细胞毒性均为0级。证明合金的生物性良好，适宜用作生物医用植入材料。
　　（5）MC3T3-E1细胞和hTMSC细胞经过25%浸提液培养24h后，大部分细胞呈梭形，几乎无任何异常状态出现。随着Zn含量的增加，细胞的增殖呈现出先增加后降低的趋势。扫描电镜观察hTMSC细胞的生长状态，细胞多为长梭形，时效态合金浸提液培养过后的伸展状态良好，并且细胞长出伪足与临近细胞交联呈网状。

目录

声明

1 绪论

1.1 生物医用材料概述

1.2 生物医用镁合金的研究现状

1.3 镁合金的腐蚀性能

1.4 本课题的研究意义及主要内容

2 试验内容与方法

2.1 试验设备

2.2 浸泡腐蚀性能测试

2.3 电化学性能测试

2.4 生物性能测试

2.5 技术路线

3 Mg-Gd-Y-Zn-Zr系合金腐蚀性能分析

3.1 挤压态合金腐蚀性能

3.2 时效处理对挤压态合金腐蚀性能的影响

3.3 Mg-8Gd-4Y-xZn-0.5Zr(x=1, 2 wt%)腐蚀机理分析

3.4 本章小结

4 Mg-Gd-Y-Zn合金体外生物试验

4.1 pH值测试

4.2 ICP-OES测试

4.3 MC3T3-E1细胞体外生物试验

4.4 hTMSC细胞体外生物试验

4.5 Saos-2细胞MTT试验

4.6 本章小结

5 结论

致谢

参考文献