生物医用镁锌合金微管显微组织和性能研究

发布时间：2020-10-30 14:21

　　 镁合金因具有密度低、高比强度、高比刚度等,成为非常重要的轻量化结构工程材料,在汽车、电子、航空航天等领域中具有广泛的发展潜力。近年来,镁锌合金由于具有良好的力学性能和生物相容性已成为可降解医用材料研究领域的热点。目前对生物医用镁合金的研究主要集中在大尺寸样品的显微组织和性能方面,而对于面向植入支架的生物医用镁合金微型管材的研究较少。由于管材在加工工程中会引起组织和性能的巨大变化,针对镁合金血管等植入支架的研究需要以镁合金微管为基础。因此,本文选取了 Mg-xZn(x=3、4、5、6wt.%)合金棒材和薄壁微管为研究对象,对加工前后的组织和性能分析。通过金相分析(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、XRD、室温拉伸、电化学分析和体外降解析氢实验研究它们的显微组织、力学性能和生物腐蚀性能规律,为生物医用镁合金植入材料的开发提供新思路。对于退火态Mg-xZn(x=3、4、5、6wt.%)合金棒材的体外降解发现:随着Zn含量的增多,析氢速度加快,这是由于随着第二相的数量增多,相界面上的电偶腐蚀降低了合金的耐腐蚀性能。电化学分析表明Zn元素的增加能使退火态合金的自腐蚀电位降低,自腐蚀电流密度提高。挤压态薄壁微管Mg-xZn(x=3、4、5、6wt.%)合金的微观组织和力学性能研究发现:在相同工艺下制备出的镁锌合金微管显微组织均已发生完全再结晶,并且晶粒尺寸随着锌含量的提高而降低。锌含量低于5wt.%时形成单相显微组织,而当锌含量达到6wt.%时出现了沿加工方法排列的第二相,具有单相显微组织的微管的力学性能随着锌含量的提高而上升。锌含量为5wt.%,拉伸强度、屈服强度、延伸率分别达到305Mpa,235Mpa,15.5%。而当锌含量提高到6wt.%时力学性能有所下降。薄壁微管Mg-xZn(x=3、4、5、6wt.%)合金体外降解实验结果表明:Zn元素能够提高合金的耐腐蚀性能。在Zn含量为3wt.%～5wt.%,随着Zn含量的增加,合金的腐蚀速率降低,自腐蚀电位提高,自腐蚀电流密度降低,耐腐蚀性较好。在Zn含量为6wt.%,合金的腐蚀速率显着提高,自腐蚀电位降低,自腐蚀电流密度增加,耐腐蚀性降低。这主要是因为合金中Zn含量的提高使得基体中固溶的Zn浓度上升,基体的自腐蚀电位上升,而当Zn含量进一步提高,加工后的微管中含有未完全溶解的第二相时腐蚀速度大大加快。研究结果表明,镁锌合金微管中具有单相显微组织的情况下,锌含量的提高对力学性能和耐蚀性均是有益的,而当显微组织中有未溶解的第二相出现时会形成带状组织,造成力学性能和耐腐蚀性能下降。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.22;R318.08
【部分图文】：

管网状支架，植入到人体内相对比较狭窄的血管处，撑开血管，保证血管内的血液流通，??从而使心血管患者的病症能够得到一定的缓解。??由德国Ｂｉｏｔｒｏｎｉｋ公司研究开发ＷＥ４３镁基心血管支架（如图１－２和图１－３）成功植入??３３头迷你猪中，没有出现炎症问题，获得成功。２＿＾等［３（）］人对４２只犬做了测试，均于??冠状动脉或者左侧股动脉置入可吸收镁合金支架，置入后Ｉｄ、３ｄ、５ｄ、１周、２周、３周、??４周，对生物降解性和在体内安全性进行测试，实验结果显示，镁合金在体内一周后就自??行降解，没有异常现象发生。??２００３年，Ｈｅｕｂｌｅｉｎ等［３１］人首先用ＡＥ２１镁合金（含２％Ａ１和１％ＲＥ）制备了冠状动脉支架??的原型。将２０个支架植入到１１头家猪的冠状动脉内。植入后的１０、３５和５６?ｄ分别进行??组织学分析、造影和血管内超声检查。组织学分析显示，在随访期内，无明显炎症反应，??初步证实了镁基合金作为可降解血管支架的安全性。??李海伟等［３２］人将ＡＺ３１镁合金制成血管支架，并报道了?ＡＺ３１镁合金血管支架在新西??兰大白兔体内的降解行为研宄结果。首先将１２枚可降解ＡＺ３１镁合金支架置入１２只新西??

?（２）骨固定材料??目前骨固定材料主要有骨钉、髓内钉、接骨板合金棒等，如图１－４，?１－５所示。由于镁??合金具有与人骨相近的弹性模量和较高的强度和塑性，可以满足骨固定材料力学性能的要??求。镁合金骨固定材料在人体内可以完全降解，其降解产物主要为镁离子和其他对人体无??害的金属离子。镁离子具有提高成骨细胞活力，刺激成骨细胞分化的作用。大量的研究表??明，和传统骨固定手术相比，镁合金植入物完全降解后，断骨处具有更好的血运环境，骨??骼愈合良好，骨痂密度更高。目前我国在镁合金骨固定材料的研究居于领先地位，多种镁??合金骨固定器械的研发己经进入临床阶段。??：??图１－４上海交通大学研发的镁基骨钉骨板示意图??Ｆｉｇ．?１－４?Ｂｏｎｅ?ｐｌａｔｅｓ?ａｎｄ?ｓｃｒｅｗｓ?ｍａｄｅ?ｏｆ?ＪＤＢＭ—１?ｗｉｔｈ?ｈｉｇｈ?ｓｔｒｅｎｇｔｈ?ａｎｄ?ｍｏｄｅｒａｔｅ?ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ??Ｍ?ｆｉ??ｉｎ??Ｉ?１１??图１－５骨折内固定手术??Ｆｉｇ．?１－５?Ｆｒａｃｔｕｒｅ?ｆｉｘａｔｉｏｎ?ｓｕｒｇｅｒｙ??袁广银［３３］将ＪＤＢＭ和高纯镁以及ＡＺ３１、ＷＥ４３等镁合金的腐蚀性进行对比，ＡＺ３１在??体内９０ｄ时大部分降解，１８０ｄ时完全消失；而ｒｏＢＭ在体内９０ｄ时基本完好，１８０ｄ时降??解量小于４０％

１９??２．３实验方案??图２－２为本课题所涉及的一系列实验流程图：??合金成分设计???＾???熔炼、挤压???＾?????均匀化热处理——微管材试样加工???＞?ｒ???ｙ；???＞?１???显微组织￣｜?［力学性能另耐蚀性测试??Ｙ?士?ｊｒ?士?士?ｖ?＼??拉硬！Ｊ?析??ＯＭ?ＸＲＤ?ＳＥＭ?伸度?ｇ?氢??分析?分析?分析?＃！?分?＝?测??试析?＾?试???ｊ???实验结果分析??￣￣Ｔ￣￣??结论??图２－２实验流程图??Ｆｉｇ?２－２?Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ??２．４显微组织观察??２．４．１金相观察??为保证可比性，在不同成分Ｍｇ－ｘＺｎ?（ｘ＝３、４、５、６ｗｔ．％）合金微管上的切取适当的??合金片状，要保证面的平整，分别标上标签进行金相观察分析。??（１）
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本文编号：2862600