生物医用Mg-Zn-Ca-Mn合金及其表面微弧氧化膜层的组织结构与性能研究

发布时间：2017-03-21 13:09

  本文关键词：生物医用Mg-Zn-Ca-Mn合金及其表面微弧氧化膜层的组织结构与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：镁合金作为一种新型的生物医用可降解性植入材料,具有较为广阔的应用前景。镁是人体内所含的基本元素,对人体无毒性。镁合金密度小,具有良好的物理性能与力学性能。更重要的是,镁具有与人体骨骼相接近的弹性模量,能减小应力遮蔽效应。同时,镁具有可降解性,作为骨支架植入可以避免因二次手术给患者带来的痛苦。但是,镁的降解速率过快,耐蚀性较差,这在很大程度上限制了镁及其合金在生物医用领域的进一步应用。为了改善镁的耐蚀性能及生物降解性能,可采用合金化、表面改性技术等方法对镁进行处理。其中,微弧氧化表面改性技术通过在镁合金表面制备一层内部致密表面多孔的氧化物陶瓷膜层,能有效提高合金的耐蚀性。研究表明,影响微弧氧化膜层的组织结构与性能的主要因素有基体成分,电解液成分以及电参数。本文主要从三个方面对新型生物医用镁合金及其表面微弧氧化膜层进行研究。首先,制备了不同Mn含量的Mg-Zn-Ca-Mn合金,研究了合金元素Mn对其组织结构、力学性能以及耐蚀性能的影响。随后,在这两种镁合金表面制备了微弧氧化膜层,探讨了基体成分对于微弧氧化膜层的组织结构与耐蚀性能的影响。根据上述的研究结果选择了综合性能较优的合金作为后续微弧氧化膜层研究的基体。为了能制备出具有较好生物活性的含Ca,P的微弧氧化膜层,该实验以柠檬酸钙((C6H5O7)2Ca3·4H2O),乙酸钙((CH3COO)2Ca),葡萄糖酸钙(Ce(C6H11O7)2·H2O)为钙源；磷酸钠(Na3PO4),六偏磷酸钠((NaPO3)6),磷酸氢二钠(Na2HPO4)为磷源为基础电解液,配制了九组不同的电解液体系。研究了不同钙磷源电解液体系下微弧氧化膜层的组织结构与生物降解性能,最终实现电解液优化,制备出具有适宜的生物降解性能和良好生物活性的微弧氧化膜层。结果表明,Mn元素有利于细化铸态Mg-Zn-Ca-Mn合金的晶粒。因晶粒细化产生的细晶强化提高了合金的抗拉强度,增加了合金的延伸率。而Mn元素对合金的耐蚀性能无明显改善作用。Mn元素含量较低的铸态Mg-2Zn-1Ca-0.2Mn合金虽然晶粒较粗大,但晶界总面积小,易腐蚀区相对较少,从而呈现较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流,具有较优的耐蚀性能。基体成分对Mg-Zn-Ca-Mn合金表面微弧氧化膜层的厚度和相组成无显著影响,但对膜层的表面形貌有一定影响。在Mn含量不同的基体上所制备的膜层的孔隙率有所不同。Mg-2Zn-1Ca-0.8Mn合金表面的膜层均匀分布着细小的微孔,而Mg-2Zn-1Ca-0.2Mn合金表面的膜层较粗糙,微孔尺寸较大且分布不均。增加Mg-Zn-Ca-Mn合金中的Mn含量,提高了试样的腐蚀电位,降低了试样的腐蚀电流,改善了合金表面微弧氧化膜层的耐蚀性能。电解液中选用不同的钙磷源会影响微弧氧化膜层的组织结构与生物降解性能。以Ca(C6H11O7)2·H20为钙源或(NaPO3)6为磷源的电解液有利于促进Ca,P元素参与成膜,增加了膜层中Ca,P的含量。以(CH3COO)2Ca和Na2HPO4为钙磷源的电解液中制备的微弧氧化膜层表面形貌相对致密,呈现最优的抗蚀性能。模拟体液浸泡实验结果表明,以Ca(C6H117)2-H2O为钙源,(NaPO3)6和Na2HPO4分别为磷源的电解液体系中制备的试样前期呈现良好的降解性能,有利于骨愈合组织的生长。该试样与以(CH3COO)2Ca为钙源,Na2HPO4为磷源制备出的试样在模拟体液浸泡过程中溶液的pH值基本保持在8.0以下且变化幅度较小,生物安全性较高。浸泡21天后,合金基体表面与微弧氧化膜层表面生成了一些团簇状、絮状或片状的含Ca,P的沉积物。基体表面与钙磷源为(CH3COO)2Ca和(NaPO3)6的试样表面检测到的钙磷元素主要来自于Ca3(PO4)2相。钙磷源分别为Ca(C6H11O7)2·H2O和(NaPO3)6H3COO)2Ca和Na2HPO4的试样表面检测到的钙磷元素还来自于HA,呈现更优的生物活性。
【关键词】：镁合金 微弧氧化 钙磷源 组织结构 生物降解性
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4;R318.08
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 新型生物医用镁合金概述15-17
• 1.1.1 新型生物医用镁合金的研究背景15-16
• 1.1.2 新型生物医用镁合金的研究进展16-17
• 1.2 微弧氧化表面改性技术概述17-20
• 1.2.1 微弧氧化膜层的形成过程17-19
• 1.2.2 微弧氧化膜层的特点19-20
• 1.3 新型生物医用镁合金表面微弧氧化技术的研究现状20-27
• 1.3.1 电解液优化20-23
• 1.3.2 电参数优化23-24
• 1.3.3 生物医学性能研究24-27
• 1.4 本课题研究内容27-29
• 第2章 实验材料与方法29-35
• 2.1 合金制备与加工29-30
• 2.1.1 铸造与热处理29
• 2.1.2 预处理29-30
• 2.2 微弧氧化处理30-31
• 2.2.1 电解液配制30-31
• 2.2.2 电参数31
• 2.3 体外浸泡试验31-32
• 2.4 性能检测32-35
• 2.4.1 力学性能检测32-33
• 2.4.2 金相组织观察33
• 2.4.3 外观检测33
• 2.4.4 膜层厚度测量33
• 2.4.5 相组成与表面形貌检测33-34
• 2.4.6 电化学测试34-35
• 第3章 不同Mn含量的铸态Mg-Zn-Ca-Mn合金的组织结构与性能研究35-43
• 3.1 铸态Mg-Zn-Ca-Mn合金的组织结构35-39
• 3.1.1 合金的金相组织35-37
• 3.1.2 合金的相组成37
• 3.1.3 合金的显微组织与元素面分布37-39
• 3.2 铸态Mg-Zn-Ca-Mn合金的性能研究39-40
• 3.2.1 合金的力学性能39
• 3.2.2 合金的耐蚀性能39-40
• 3.3 讨论40-41
• 3.4 小结41-43
• 第4章 不同Mn含量的Mg-Zn-Ca-Mn合金表面微弧氧化膜层的制备与性能研究43-49
• 4.1 膜层制备过程的反应现象43
• 4.2 膜层的宏观形貌与厚度43-44
• 4.3 膜层的组织结构44-47
• 4.3.1 膜层的相组成44-45
• 4.3.2 膜层的表面形貌45-47
• 4.4 膜层的耐蚀性能47-48
• 4.5 小结48-49
• 第5章 不同钙磷源电解液体系下制备的微弧氧化膜层的组织结构与生物降解性能49-69
• 5.1 膜层制备的反应过程49-50
• 5.2 膜层的宏观形貌与厚度50-52
• 5.3 膜层的组织结构52-59
• 5.3.1 膜层的相组成52-54
• 5.3.2 膜层的表面形貌54-57
• 5.3.3 膜层的截面形貌与成分分析57-59
• 5.4 膜层的耐蚀性能59-60
• 5.5 膜层的体外生物降解性能60-66
• 5.5.1 浸泡后膜层的宏观形貌60-61
• 5.5.2 浸泡后试样的失重及pH值变化61-63
• 5.5.3 浸泡后膜层的相组成63-65
• 5.5.4 浸泡后膜层的表面形貌与成分分析65-66
• 5.6 小结66-69
• 第6章 结论69-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-81
• 攻读学位期间发表的学术论文81-88
• 附件88

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