可降解医用多孔铁锰合金的制备及耐蚀与生物相容性研究
发布时间：2021-11-15 00:42
相对于锌合金较差的力学性能以及镁合金较快的降解速率,Fe基生物材料由于具有较好的力学性能、生物相容性、安全无毒性,被认为是极具应用潜力的新一代可降解生物移植材料。而多孔Fe-Mn合金具有与骨骼相似的结构,不仅能加速合金的降解,而且有利于骨组织的在移植体中的三维方向生长,因而备受人们的关注。为此,本论文以预合金铁锰粉为原料,采用有机海绵浸渍法成功制备出多孔可降解Fe-Mn合金,并对浆料的配比和海绵的预处理及粉末烧结工艺进行了优化;对多孔Fe-Mn合金的显微组织和力学性能进行了表征,并对其在人体模拟液中的降解性能以及生物相容性的进行了研究。主要内容和结论如下:（1）对海绵前驱体的制备工艺和脱脂工艺进行了优化。结果表明,在预合金铁锰粉粒度小于15μm且质量分数为4g·m L-1,粘结剂聚乙烯醇（PVA）的浓度为6%时,所制备出的金属浆料粘度适当,粉末分散均匀,浸渍后得到的多孔海绵体骨架完整;对聚氨酯海绵表面经羧甲基纤维素（CMC）处理后,海绵体骨架表面得到了粗化,浸渍后的海绵前驱体的力学性能有所提高;对海绵前驱体的热失重曲线进行了测定,确定了其低温脱脂温度为350°C。...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
医用金属材料的应用
湘潭大学硕士学位论文4织的愈合，再加上纯镁的力学性能差，实验最终以失败告终[23]。针对此问题，目前已有解决办法，即添加一些无毒，生物相容性好的一些合金元素，并能通过第二相强化，细晶强化，固溶强化等方式来提高镁合金的生物力学相容性。在人体必需元素中选择Ca、Zn、Li元素，也可选择Re（稀土元素）元素来提高其相关性能[24]；Mg-Ca系中主要形成α-Mg基体和Mg2Ca第二相，Ca的质量分数决定了第二相在晶界处的分布情况，Li[25]认为在超过3%会形成网状结构从而抑制晶粒长大，达到力学性能强化的作用，而Ca含量过高则会导致在晶界处形成粗大的颗粒从而降低其力学性能，并且促进了镁基合金的微电偶腐蚀，从而不利于抑制镁的快速降解，因此Kim[26]认为有必要调控第二相的成分及分布来提高镁合金的抗腐蚀能力；Zhang和Wei等人[27]同样报道了MgZn第二相对镁合金的腐蚀机理的影响；对于稀土元素Re等来说，提高其在镁合金中的固溶度就能有效提高镁合金的抗腐蚀能力。但是人们在大量研究中发现，镁合金的降解速率由于释放大量氢气最后并没有降低很多，远远少于组织修复的时间，因此限制了其在临床上的应用。图1.2镁及其合金降解示意图[21,22]人们对纯锌的研究同样也起源于心血管支架的植入，但Vojtěch等人[28]报道了铸态纯锌的力学性能很差，基本小于20MPa，延伸率也低，远远满足不了医学上的应用，因此在锌基体中添加了Mg、Ca、Cu等元素[29,30,31]，Li[32]发现添加Mg和Ca之后，锌合金的溶血率达到了理想要求，并且抑制了血管平滑肌细胞
湘潭大学硕士学位论文7早期对Fe-xMn（x=20-35wt.%）合金的研究，在低Mn量（20、25wt.%）时合金主要由奥氏体和马氏体组成，而高Mn量（30、35wt.%）只包含奥氏体相，并发现随着Mn含量的升高，强度从723MPa下降到428MPa，强度与316L不锈钢相当，但是延伸率大大提高；而Schinhammer等人[49]制备的Fe-10Mn合金并通过固溶热处理强度达到了1300MPa，再一次证明了低Mn含量强度高的事实。Schinhammer[50]在此基础上又添加了C、Pd元素，并通过一系列冷加工和700℃热处理得到的TWIP-1Pd合金，发现了应变硬化令其具有和Co-Cr-Mo硬质合金一样的强度和316L不锈钢相当的延伸率，如图1.5所示，在医用植入方面具有很好的应用前景。图1.3纯铁和Fe-X二元合金的金相图及强度、延伸率、硬度对比柱状图[40]表1.4元素在α-Fe和γ-Fe中的溶解度元素在α-Fe中的溶解度（质量分数）在γ-Fe中的溶解度（质量分数）Mn约为3%无限Co76%无限Al36%1.1%（含碳时稍高）W33%（低温时降低）3.2%（ωc=0.25%时为11%）C0.02%2.06%Si18.5%约为2%B约为0.008%0.018-0.026%
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-Mn合金在生物医学方面的应用及前景[J]. 刘玉玲,张修庆. 材料导报. 2019(S2)
[2]生物医用材料发展现状与趋势展望[J]. 周淑千. 新材料产业. 2019(07)
[3]处在变革中的医用金属材料[J]. 郑玉峰,吴远浩. 金属学报. 2017(03)
[4]我国生物医用材料现状和发展趋势[J]. 奚廷斐. 中国医疗器械信息. 2013(08)
[5]有机泡沫浸渍法制备多孔羟基磷灰石生物支架的研究[J]. 张爱娟,高增丽,王卫伟,李成峰. 山东大学学报(工学版). 2012(03)
[6]可降解铁基心血管支架材料的研究进展[J]. 徐文利,吴竞尧,谭丽丽,杨柯. 材料导报. 2012(01)
[7]聚氨酯海绵浸渗法制备高孔隙率泡沫铜[J]. 吴成,乔冠军,王红洁,金志浩. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
[8]可降解纯铁薄膜的制备和血液相容性[J]. 朱生发,徐莉,李贵才,石志峰,孙鸿,黄楠. 材料研究学报. 2008(05)
[9]新型生物可降解心血管涂层支架的制备及其生物相容性的研究[J]. 赵燕超,刘学波,葛均波,龚飞荣,陈功雨,胡源浚,程树军,陈建定. 中国生物医学工程学报. 2008(03)
[10]心血管支架材料生物力学及生物相容性特征[J]. 曾伟杰,凌友,支晓兴. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(13)
博士论文
[1]生物医用可降解Mg-RE合金的设计、制备与性能研究[D]. 桂珍珍.华南理工大学 2018
[2]多孔介质燃烧用碳化硅网状多孔陶瓷的制备及性能研究[D]. 梁雄.武汉科技大学 2017
[3]生物医用多孔钛镍（铌）合金的制备与性能研究[D]. 李婧.中南大学 2014
本文编号：3495681
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
医用金属材料的应用
湘潭大学硕士学位论文4织的愈合，再加上纯镁的力学性能差，实验最终以失败告终[23]。针对此问题，目前已有解决办法，即添加一些无毒，生物相容性好的一些合金元素，并能通过第二相强化，细晶强化，固溶强化等方式来提高镁合金的生物力学相容性。在人体必需元素中选择Ca、Zn、Li元素，也可选择Re（稀土元素）元素来提高其相关性能[24]；Mg-Ca系中主要形成α-Mg基体和Mg2Ca第二相，Ca的质量分数决定了第二相在晶界处的分布情况，Li[25]认为在超过3%会形成网状结构从而抑制晶粒长大，达到力学性能强化的作用，而Ca含量过高则会导致在晶界处形成粗大的颗粒从而降低其力学性能，并且促进了镁基合金的微电偶腐蚀，从而不利于抑制镁的快速降解，因此Kim[26]认为有必要调控第二相的成分及分布来提高镁合金的抗腐蚀能力；Zhang和Wei等人[27]同样报道了MgZn第二相对镁合金的腐蚀机理的影响；对于稀土元素Re等来说，提高其在镁合金中的固溶度就能有效提高镁合金的抗腐蚀能力。但是人们在大量研究中发现，镁合金的降解速率由于释放大量氢气最后并没有降低很多，远远少于组织修复的时间，因此限制了其在临床上的应用。图1.2镁及其合金降解示意图[21,22]人们对纯锌的研究同样也起源于心血管支架的植入，但Vojtěch等人[28]报道了铸态纯锌的力学性能很差，基本小于20MPa，延伸率也低，远远满足不了医学上的应用，因此在锌基体中添加了Mg、Ca、Cu等元素[29,30,31]，Li[32]发现添加Mg和Ca之后，锌合金的溶血率达到了理想要求，并且抑制了血管平滑肌细胞
湘潭大学硕士学位论文7早期对Fe-xMn（x=20-35wt.%）合金的研究，在低Mn量（20、25wt.%）时合金主要由奥氏体和马氏体组成，而高Mn量（30、35wt.%）只包含奥氏体相，并发现随着Mn含量的升高，强度从723MPa下降到428MPa，强度与316L不锈钢相当，但是延伸率大大提高；而Schinhammer等人[49]制备的Fe-10Mn合金并通过固溶热处理强度达到了1300MPa，再一次证明了低Mn含量强度高的事实。Schinhammer[50]在此基础上又添加了C、Pd元素，并通过一系列冷加工和700℃热处理得到的TWIP-1Pd合金，发现了应变硬化令其具有和Co-Cr-Mo硬质合金一样的强度和316L不锈钢相当的延伸率，如图1.5所示，在医用植入方面具有很好的应用前景。图1.3纯铁和Fe-X二元合金的金相图及强度、延伸率、硬度对比柱状图[40]表1.4元素在α-Fe和γ-Fe中的溶解度元素在α-Fe中的溶解度（质量分数）在γ-Fe中的溶解度（质量分数）Mn约为3%无限Co76%无限Al36%1.1%（含碳时稍高）W33%（低温时降低）3.2%（ωc=0.25%时为11%）C0.02%2.06%Si18.5%约为2%B约为0.008%0.018-0.026%
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-Mn合金在生物医学方面的应用及前景[J]. 刘玉玲,张修庆. 材料导报. 2019(S2)
[2]生物医用材料发展现状与趋势展望[J]. 周淑千. 新材料产业. 2019(07)
[3]处在变革中的医用金属材料[J]. 郑玉峰,吴远浩. 金属学报. 2017(03)
[4]我国生物医用材料现状和发展趋势[J]. 奚廷斐. 中国医疗器械信息. 2013(08)
[5]有机泡沫浸渍法制备多孔羟基磷灰石生物支架的研究[J]. 张爱娟,高增丽,王卫伟,李成峰. 山东大学学报(工学版). 2012(03)
[6]可降解铁基心血管支架材料的研究进展[J]. 徐文利,吴竞尧,谭丽丽,杨柯. 材料导报. 2012(01)
[7]聚氨酯海绵浸渗法制备高孔隙率泡沫铜[J]. 吴成,乔冠军,王红洁,金志浩. 稀有金属材料与工程. 2009(04)
[8]可降解纯铁薄膜的制备和血液相容性[J]. 朱生发,徐莉,李贵才,石志峰,孙鸿,黄楠. 材料研究学报. 2008(05)
[9]新型生物可降解心血管涂层支架的制备及其生物相容性的研究[J]. 赵燕超,刘学波,葛均波,龚飞荣,陈功雨,胡源浚,程树军,陈建定. 中国生物医学工程学报. 2008(03)
[10]心血管支架材料生物力学及生物相容性特征[J]. 曾伟杰,凌友,支晓兴. 中国组织工程研究与临床康复. 2008(13)
博士论文
[1]生物医用可降解Mg-RE合金的设计、制备与性能研究[D]. 桂珍珍.华南理工大学 2018
[2]多孔介质燃烧用碳化硅网状多孔陶瓷的制备及性能研究[D]. 梁雄.武汉科技大学 2017
[3]生物医用多孔钛镍（铌）合金的制备与性能研究[D]. 李婧.中南大学 2014
本文编号：3495681
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