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構與性能研究.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，具有較為廣闊的應用前景。鎂是人體內(nèi)所含的基本元素，對人體無毒性。鎂合金密度小，具有良好的物理性能與力學性能。更重要的是，鎂具有與人體骨骼相接近的彈性模量，能減小應力遮蔽效應。同時，鎂具有可降解性，作為骨支架植入可以避免因二次手術給患者帶來的痛苦。但是，鎂的降解速率過快，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)用領域的進一步應用。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、改性技術等方法對鎂進行處理。其中，微弧氧化表面改性技術通過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構與性能的主要因素有基體成分，電解液成分以及電參數(shù)。
　　本文主要從三個方面對新型生物醫(yī)用鎂合金及其表面微弧氧化膜層進行研究。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對其組織結構、力學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，探討了基體成分對于微弧氧化膜層的組織結構與耐蝕性能的影響。根據(jù)上述的研究結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，該實驗以檸檬酸鈣((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構與生物降解性能，最終實現(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。
　　結果表明，Mn元素有利于細化鑄態(tài)Mg-Zn-Ca-Mn合金的晶粒。因晶粒細化產(chǎn)生的細晶強化提高了合金的抗拉強度，增加了合金的延伸率。而Mn元素對合金的耐蝕性能無明顯改善作用。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Mg-Zn-Ca-Mn合金表面微弧氧化膜層的厚度和相組成無顯著影響，但對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影響微弧氧化膜層的組織結構與生物降解性能。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致密，呈現(xiàn)最優(yōu)的抗蝕性能。模擬

7、體液浸泡實驗結果表明，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。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簇狀、絮狀或片狀的含Ca,P的沉積物。基體表面與