Mg-Zn-Zr系生物医用镁合金组织与性能研究

发布时间：2018-05-01 14:28

本文选题：镁合金 + 生物可降解　；参考：《北京科技大学》2016年博士论文

【摘要】：近年来,骨骼创伤和心血管疾病的多发使得生物医用植入材料的市场得到快速拓展。为避免二次手术、减轻患者痛苦和降低医疗成本,生物可降解材料作为新一代植入材料正逐渐成为一颗耀眼的新星。由于具有显著的生物相容性、可降解性和力学相容性,镁及其合金作为一种潜在的可降解植入材料正经历雨后春笋般的崛起。然而不幸的是,镁合金的腐蚀降解速率太快。尽管研究工作者通过各种手段对其进行优化处理,时至今日,镁合金的综合性能仍然难以满足临床应用要求。因此,研究开发一种具有高强度、高韧性、良好生物相容性且降解行为可控的高性能生物镁合金迫在眉睫。本文设计开发了一种新型的生物医用可降解铸造单相Mg-1.5Zn-0.6Zr合金,以避免强烈的电偶腐蚀作用,研究了该合金在高、低两种浸蚀性环境中的降解行为并揭示了其均匀腐蚀机理；创新性地引入稀土元素Sc对合金组织和性能加以优化,并系统研究了Sc的添加量对合金组织、力学性能、降解行为和生物相容性的影响规律；在此基础上,通过对铸态Mg-1.5Zn-0.6Zr-0.2Sc合金实施挤压加工变形处理,进一步提高了其力学性能和耐蚀性；同时,论文探索研究了蛋白质对合金降解行为的影响。研究发现,Mg-1.5Zn-0.6Zr合金表现为单相等轴晶组织特征,晶粒中心区域富Zr,相比AZ91 D合金具有较高的极限抗拉强度和延伸率。在5%NaCl溶液和Hank's溶液中,Mg-1.5Zn-0.6Zr合金的降解速率均显著低于AZ91D合金,这主要是因为Mg-1.5Zn-0.6Zr合金为单相合金,消除了强烈的电偶腐蚀作用,并且均匀致密的腐蚀膜对合金基体起到了较为有效的保护作用,同时Zr会钝化Mg固溶体提高其化学惰性。在两种溶液中,Mg-1.5Zn-0.6Zr合金均表现为显著的均匀腐蚀特征,从电化学的角度分析表明, Mg-1.5Zn-0.6Zr合金在腐蚀过程中其浸蚀区和非浸蚀区发生相互转化,从而揭示了其均匀腐蚀特征的原因。Sc的添加研究表明,Sc能显著细化Mg-1.5Zn-0.6Zr-xSc (x= 0,0.2,0.5, 1.0)合金的平均晶粒尺寸,其细化机制属于异质形核机制；随着Sc含量的升高,合金中析出物的种类和数量都增大。随着Sc含量的升高,合金的屈服强度升高、延伸率下降、硬度和耐磨性都升高,合金的强硬化机制包括细晶强化、固溶强化和弥散强化,合金的主要磨损机制为磨粒磨损和剥层磨损。低含量Sc添加(x≤0.2%)可以优化合金的降解行为,随着Sc含量的进一步升高反而会恶化合金的降解行为。Sc的添加能够提高合金的润湿性和抗菌性,对L.929细胞和SP2/0细胞的活性均没有显著影响,而对合金的溶血率和血小板粘附行为则会产生一定的不利影响。经挤压加工后,Mg-1.5Zn-0.6Zr-0.2Sc合金晶粒得到明显的细化,横截面为细小的等轴晶组织,组织均匀性好：纵截面出现了晶粒尺寸相对较大的沿挤压方向分布的长条状组织,组织均匀性稍差。合金的强度、塑性和硬度都有所提高。断裂方式由准解理断裂转变为韧窝和解理混合断裂,强化机制为细晶强化。挤压态合金横截面相比挤压态合金纵截面和铸态合金具有最低的降解速率。挤压后,合金的亲水性提高,溶血率降低,抗凝血性能增强。本文还针对挤压态Mg-1.5Zn-0.6Zr-0.2Sc合金研究了蛋白质对其降解行为的影响。研究发现,在浸泡初期(6 h内),蛋白质主要表现为吸附作用,抑制合金的腐蚀；随着浸泡时间的延长,蛋白质的螯合作用逐渐增强,从而加速镁合金的腐蚀。蛋白质对镁合金电化学行为的影响主要体现在提高合金的阳极塔菲尔斜率,从而抑制合金的阳极反应过程。
[Abstract]:This paper has developed a new biodegradable cast single - phase Mg - 1.5Zn - 0.6Zr alloy which has high strength , high toughness , good biocompatibility and controllable degradation behavior .
The effects of Sc addition on microstructure , mechanical properties , degradation behavior and biocompatibility were studied .
On this basis , the mechanical properties and corrosion resistance of cast Mg - 1.5Zn - 0.6Zr - 0.2Sc alloy are further improved .
The results show that the Mg - 1.5Zn - 0.6Zr alloy has a higher ultimate tensile strength and elongation than AZ91 D alloy . In the 5 % NaCl solution and Hank ' s solution , the degradation rate of Mg - 1.5Zn - 0.6Zr alloy is significantly lower than that of AZ91 D alloy .
With the increase of Sc content , the variety and quantity of the precipitates in the alloy increased . As the content of Sc increased , the yield strength of the alloy increased , the elongation decreased , the hardness and the wear resistance all increased .
As the soaking time is prolonged , the chelating effect of the protein is gradually increased , thereby accelerating the corrosion of the magnesium alloy . The influence of the protein on the electrochemical behavior of the magnesium alloy is mainly embodied in improving the slope of the anode tower of the alloy , thereby inhibiting the anode reaction process of the alloy .

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.22;R318.08

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