Zr基块体非晶合金的生物相容性

作     者：刘方瑜 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄永江

授予年度：2013年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Zr基块体非晶合金 力学性能 摩擦磨损 生物腐蚀 生物相容性 

摘      要：本文以一种无Ni型Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金为对象，并以Zr-Cu-Ni-Al、Zr-Ti-Ni-Cu-Al、Ti-Zr-Ni-Cu-Be等块体非晶合金以及医用纯Ti及Ti-6Al-4V合金作为对照组，分析了其微观组织及力学性能，并研究了各合金试样的摩擦磨损特性、体外的生物腐蚀性能、细胞毒性以及动物体内的植入试验，进而综合评价Zr基块体非晶合金试样的生物相容性。 利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及差示扫描量热仪(DSC)分析了各块体非晶合金的微观组织和热性能。由高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像的自相关函数(ACF)计算可以得出，随着非晶合金直径的增加，其微观组织更趋向于有序化，即含有更少的自由体积。而DSC曲线玻璃转变温度(Tg)点之前的结构弛豫峰也表明，非晶合金试样的自由体积随着直径的增大而减少。 硬度测试以及室温压缩测试的结果表明，Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金试样具有较大的硬度以及较好的压缩塑性。结合合金试样的断口形貌观察及微观组织分析，该非晶合金的硬度值与Tg呈正相关，即Tg越大，非晶合金的硬度值越大。此外，非晶合金的塑性变形能力随着其自由体积数量的增多而增大。 通过摩擦磨损性能测试以及磨损形貌可知，合金试样的磨损程度随着直径的增加而减小，即较大直径的Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金试样具有较小的摩擦系数以及较浅的磨损形貌。相比于其余几种非晶合金以及医用纯Ti和Ti-6Al-4V合金而言，该块体非晶合金试样体现出最佳的耐磨损性能。 对各合金试样在模拟生理环境中进行了生物腐蚀评价，其电化学腐蚀测定的极化曲线及相应的电化学参数表明，腐蚀过程中，各合金试样的表面均形成了一层钝化膜，而且Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金呈现出最好的耐腐蚀性能。在人工模拟体液(SBF)中进行的浸泡实验表明，浸泡一段时间后，各合金试样的表面出现了不同程度的沉积层，其中Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金试样表面的Ca/P原子比接近人骨，表明其具有较好的生物活性。 对L929细胞进行体外培养，通过测定细胞在各合金试样浸提液中的生长形态及活性，评定Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金的细胞毒性为1级，适合作为生物医用材料使用。将非晶合金以及Ti-6Al-4V合金植入体放入试验大白兔的股骨头内侧，观察取出后的材料与骨头的生长结合情况，研究发现，Zr46(Cu4.5/5.5Ag1/5.5)46Al8块体非晶合金植入体与骨组织结合更为紧密，表面有更多的Ca、P元素的富集，即具有良好的生物相容性。