生物醫(yī)用Mg-Zn-Ca-Mn合金及其表面微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、鎂合金作為一種新型的生物醫(yī)用可降解性植入材料，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。鎂是人體內(nèi)所含的基本元素，對(duì)人體無(wú)毒性。鎂合金密度小，具有良好的物理性能與力學(xué)性能。更重要的是，鎂具有與人體骨骼相接近的彈性模量，能減小應(yīng)力遮蔽效應(yīng)。同時(shí)，鎂具有可降解性，作為骨支架植入可以避免因二次手術(shù)給患者帶來(lái)的痛苦。但是，鎂的降解速率過(guò)快，耐蝕性較差，這在很大程度上限制了鎂及其合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。為了改善鎂的耐蝕性能及生物降解性能，可采用合金化、表面

2、改性技術(shù)等方法對(duì)鎂進(jìn)行處理。其中，微弧氧化表面改性技術(shù)通過(guò)在鎂合金表面制備一層內(nèi)部致密表面多孔的氧化物陶瓷膜層，能有效提高合金的耐蝕性。研究表明，影響微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)與性能的主要因素有基體成分，電解液成分以及電參數(shù)。
　　本文主要從三個(gè)方面對(duì)新型生物醫(yī)用鎂合金及其表面微弧氧化膜層進(jìn)行研究。首先，制備了不同Mn含量的Mg-Zn-Ca-Mn合金，研究了合金元素Mn對(duì)其組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能以及耐蝕性能的影響。隨后，在這兩種鎂合金表面

3、制備了微弧氧化膜層，探討了基體成分對(duì)于微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)與耐蝕性能的影響。根據(jù)上述的研究結(jié)果選擇了綜合性能較優(yōu)的合金作為后續(xù)微弧氧化膜層研究的基體。為了能制備出具有較好生物活性的含Ca,P的微弧氧化膜層，該實(shí)驗(yàn)以檸檬酸鈣((C6H5O7)2Ca3·4H2O)，乙酸鈣((CH3COO)2Ca)，葡萄糖酸鈣(Ca(C6H11O7)2·H2O)為鈣源;磷酸鈉(Na3PO4)，六偏磷酸鈉((NaPO3)6)，磷酸氫二鈉(Na2HPO4)為磷

4、源為基礎(chǔ)電解液，配制了九組不同的電解液體系。研究了不同鈣磷源電解液體系下微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)與生物降解性能，最終實(shí)現(xiàn)電解液優(yōu)化，制備出具有適宜的生物降解性能和良好生物活性的微弧氧化膜層。
　　結(jié)果表明，Mn元素有利于細(xì)化鑄態(tài)Mg-Zn-Ca-Mn合金的晶粒。因晶粒細(xì)化產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化提高了合金的抗拉強(qiáng)度，增加了合金的延伸率。而Mn元素對(duì)合金的耐蝕性能無(wú)明顯改善作用。Mn元素含量較低的鑄態(tài)Mg-2Zn-1Ca-0.2Mn合金雖然晶粒

5、較粗大，但晶界總面積小，易腐蝕區(qū)相對(duì)較少，從而呈現(xiàn)較高的腐蝕電位和較低的腐蝕電流，具有較優(yōu)的耐蝕性能。
　　基體成分對(duì)Mg-Zn-Ca-Mn合金表面微弧氧化膜層的厚度和相組成無(wú)顯著影響，但對(duì)膜層的表面形貌有一定影響。在Mn含量不同的基體上所制備的膜層的孔隙率有所不同。Mg-2Zn-1 Ca-0.8Mn合金表面的膜層均勻分布著細(xì)小的微孔，而Mg-2Zn-1Ca-0.2Mn合金表面的膜層較粗糙，微孔尺寸較大且分布不均。增加Mg-Zn-

6、Ca-Mn合金中的Mn含量，提高了試樣的腐蝕電位，降低了試樣的腐蝕電流，改善了合金表面微弧氧化膜層的耐蝕性能。
　　電解液中選用不同的鈣磷源會(huì)影響微弧氧化膜層的組織結(jié)構(gòu)與生物降解性能。以Ca(C6H11O7)2·H2O為鈣源或(NaPO3)6為磷源的電解液有利于促進(jìn)Ca,P元素參與成膜，增加了膜層中Ca,P的含量。以(CH3COO)2Ca和Na2HPO4為鈣磷源的電解液中制備的微弧氧化膜層表面形貌相對(duì)致密，呈現(xiàn)最優(yōu)的抗蝕性能。模擬

7、體液浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以Ca(C6H11O7)2·H2O為鈣源，(NaPO3)6和Na2HPO4分別為磷源的電解液體系中制備的試樣前期呈現(xiàn)良好的降解性能，有利于骨愈合組織的生長(zhǎng)。該試樣與以(CH3COO)2Ca為鈣源， Na2HPO4為磷源制備出的試樣在模擬體液浸泡過(guò)程中溶液的pH值基本保持在8.0以下且變化幅度較小，生物安全性較高。浸泡21天后，合金基體表面與微弧氧化膜層表面生成了一些團(tuán)簇狀、絮狀或片狀的含Ca,P的沉積物?；w表面與