骨折内固定用Mg-Zn系合金综合性能的对比研究

发布时间：2020-07-19 02:54

【摘要】：镁合金以其与自然骨最为接近的综合力学性能和优异的生物腐蚀降解特性,成为新一代可降解植入材料的典型代表,也成为生物材料研究领域的前沿研究方向。本文基于课题组近十年对Mg-Zn系医用可降解镁合金的探索,通过合金化手段对比研究了合金元素Ca、Zr、Sr和Ag等对Mg-3Zn合金组织结构、力学性能和耐蚀性的影响,探索了合金元素间的协同作用机理,并获得以下研究结果:(1)通过拉伸和压缩实验对Mg-3Zn-0.2Ca(wt.%)(ZX30)、Mg-3Zn-0.8Zr(wt.%)(ZK30)、Mg-3Zn-0.8Zr-0.3Sr(wt.%)(ZKJ300)、Mg-3Zn-0.8Zr-0.3Ca-0.3Ag(wt.%)(ZKXQ3000)四种挤压态合金进行力学性能的比较,发现四种合金的抗压强度均在360MPa左右,而抗拉强度有明显差距,相比ZX30与ZK30合金,ZKJ300与ZKXQ3000合金的抗拉强度提高20%,但塑性降低了26%。通过电化学极化、阻抗以及噪声实验,对比研究了四种合金的电化学腐蚀性能,结果显示,ZK30与ZKXQ3000合金的耐蚀性较优,其自腐蚀电流分别为53.9μm/cm~2、42.4μm/cm~2,远低于ZX30与ZKJ300合金。(2)综合前期四种挤压态合金的力学性能及电化学腐蚀行为,选择生物安全性较高的合金元素真空熔炼了Mg-3Zn-0.2Ca-xAg(x=0.1,0.3,0.5,0.7)合金,并进行成分优化及热处理工艺探究。结果显示,Mg-3Zn-0.2Ca-0.3Ag的综合性能最优,其屈服强度、抗拉强度及延伸率分别是277.67 MPa、305.33 MPa、16.47%,其自腐蚀电位为-1.386V,自腐蚀电流为30.5μm/cm~2,远优于其他成分合金。对Mg-3Zn-0.2Ca-0.3Ag合金进行固溶与时效处理,通过显微组织观察及硬度实验发现其最佳的固溶处理条件为340°C均匀化退火48 h+400°C固溶2 h,最佳的时效处理条件为160°C×84 h。(3)通过失重测试计算五种合金浸泡15天后的腐蚀速率,发现ZK30合金的腐蚀速率最低,相比ZX30合金,其腐蚀速率降低了45%。利用扫描电镜(SEM)及X射线能谱(EDS)探究五种合金各阶段腐蚀产物产生情况及其腐蚀机理,发现ZK30合金在整个浸泡过程中的腐蚀产物均为致密的钙磷颗粒,而其他合金在不同浸泡阶段还出现了杆状、球状等致密性相对较差的腐蚀产物,造成五种合金在浸泡过程中腐蚀行为差异化的主要原因是第二相数量、大小、分布情况以及平均晶粒尺寸大小的不同。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.22;R318.08
【图文】：

植入物,生物可降解,可生物降解,骨科

第一章绪论表现出稳定均匀的腐蚀，无感染、畸形、脱位或严重宿主反应的迹象早期，高纯镁螺钉对肌腱骨界面 BMP-2 和 VEGF 表达的刺激作用优了肌腱移植物与骨骼间纤维软骨过渡区的再生。德国研究人员[31]于 Mg-Y-Re-Zr 骨螺钉植入人体内部以治疗趾外翻、马德隆畸形、舟治疗效果良好，并且该合金制备的骨螺钉获得了世界政府机构的认可于 2014 年将 Mg-5Ca-1Zn 植入人体桡骨骨折部位，六周后骨折部位反应，并于 2015 年获得韩国食品药品监督总局认可。中国研究人员镁制备的骨螺钉植入人体内部以治疗血管化骨瓣移植、股骨颈骨折、髋臼缺陷等，获得令人满意的治疗效果，随后于 2015 年获得中国食认可并将其作为创新医疗器械。图 1-1 为生物可降解镁植入物的应用

生物可降解,断裂伸长率,屈服强度

图 1-2 典型生物可降解镁合金的屈服强度和断裂伸长率Fig.1-2 The yield strength and elongation of representative biodegradable Mg alloy生物相容性良好，同时它也是强细化剂，能明显细化晶粒，以提升合并且常与 Zn 同时添加，耐蚀性随着 Zr 含量的增加而降低[44]。Gu[4与 Mg-1Zr 合金在力学及耐蚀性能上的不同，发现其晶粒明显细化，明显提高，并且其腐蚀速率只有纯镁的一半；Li[46]等人研究了不同金耐蚀性的影响，发现随着 Zr 含量的增加（1%-5%），其腐蚀速率人体骨骼和结缔组织中含有大约 320 到 400 mg，除了具有抗吸收活的分化和骨生成也有促进作用[47]。由于 Sr 与 Ca 的化学性质相似，种生物化学过程中能在一定程度上取代 Ca，包括替换骨骼和牙齿等 Ca[40]。Sr 于 Mg 中的固溶度仅有 0.11 wt.%，可在一定程度上细化晶强度与耐蚀性。Cheng[48]等人探索了添加不同成分 Sr 对 Mg-5Zn 合金蚀性的影响，发现 Sr 能有效细化晶粒，产生更多晶粒间化合物，力到了改善，其中添加了 0.2 wt.%Sr 的合金综合性能表现最优。林娜[4质量分数 Sr 对铸态及固溶态 Mg-3.5Zn-2Ca 合金在组织及力学性能上元素 Sr 含量的增加，其细化晶粒组织及提升合金力学性能的效果越

真空感应熔炼炉

wt.%Ag）制备Mg-3Zn-0.2Ca（wt.%）（ZX30）、Mg-3Zn-0.8Zr（wt.%）（ZK30）、Mg-3Zn-0.8Zr-0.3Sr（wt.%）（ZKJ300）、Mg-3Zn-0.8Zr-0.3Ca-0.3Ag（wt.%）（ZKXQ3000）及Mg-3Zn-0.3Ca-xAg（wt.%）（ZXQ300）合金。通过真空熔炼感应炉（如图2-1所示）进行熔炼后浇铸成60 mm的铸锭，具体过程如下：（1）熔炼合金前将炉膛清理干净，检查感应炉气密性是否保持良好状态。（2）把制备合金所需的原材料依次放进坩埚中，关紧炉门，抽真空至30 Pa以下，并通氩气至大气压，该过程重复三次后进行加热。（3）加热到720 °C，观察到所有镁锭及合金全部熔化后，将搅拌桨下调至坩埚1/3处进行3 min匀速搅拌，搅拌完成后，保温静置3 min。（4）切断电源

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