碱热及磷化处理Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金的降解行为及生物性能的研究

作     者：赵慧娟 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔彤

授予年度：2015年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金 碱热处理 磷化处理 降解性能 生物相容性 

摘      要：镁合金作为新型的医用材料,凭借其与人骨非常相近的力学性能、良好的生物相容性、可降解性及其资源丰富等优势,受到越来越多科研人员关注。但是镁合金过快的降解速率严重阻碍其在医学上应用,因此如何控制镁合金降解速度与组织新生或者愈合速度之间的匹配,成为未来医用镁合金的主要研究方向,而表面改性是提高试样耐蚀性的最有效方法。本课题制备了铸态的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金与Mg-4.0Zn-0.4Ca合金,比较合金元素Sr对合金显微组织、合金的力学性能和腐蚀性能影响。采用碱热处理和磷化处理两种方法对Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca进行表面处理,并利用X射线、扫描电子显微镜以及能谱分析仪对涂层进行表征;然后通过对有/无涂层Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金在人体模拟液(SBF)中的电化学性能实验以及浸泡腐蚀实验,来比较有/无涂层合金的耐蚀性;最后通过溶血率测定和小鼠植入实验,对有/无涂层Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金的生物相容性进行了研究。获得如下结果:(1)Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca与Mg-4.0Zn-0.4Ca合金的力学性能分别是:抗拉强度169.49 MPa、110.36 MPa;屈服强度 80.12 MPa、63.15 MPa;维氏硬度 82.13 HV、70.94 HV;并且对比金相图可以看出Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca晶粒分布均匀、晶粒较细。表明:Sr元素的加入细化了合金的晶粒,提高了合金的硬度、抗拉强度、屈服强度。(2)Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca 与 Mg-4.0Zn-0.4Ca 合金电化学腐蚀电位分别为-1.3812 V、1.5066V;腐蚀电流分别为1.02×10-5A·cm-2、2.52×10-5A·cm-2。表明:Sr元素的加入使得合金的自腐蚀电位右移,腐蚀电流变小。(3)对Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金分别进行碱热和磷化处理,碱热、磷化处理后的合金的电化学腐蚀电位分别为-1.32 V、-1.312 V;腐蚀电流为7.9953×10-6 A·cm-2、1.0744×10-6A·cm-2。表明:经过表面改性的合金自腐蚀电位出现明显右移,腐蚀电流降低一个数量级。涂层的存在提高了合金的耐蚀性。(4)将有/无涂层的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金在SBF溶液中分别浸泡2、4、8、11、14、17d,测量试样的失重率、SBF溶液的pH变化及其腐蚀后表面形貌观察,表明:涂层试样每一阶段质量损失均比无涂层试样要小,相应的浸泡液pH的增幅变化也远小于无涂层试样,涂层试样表面仅仅出现了少量的腐蚀坑。涂层试样在浸泡液中的降解速率明显低于无涂层试样。(5)无涂层、碱热处理及磷化处理的Mg-4.0Zn-1.0Sr-0.4Ca合金的溶血率分别为3.9%、1.79%、0.3%,涂层试样的溶血率均低于5%,具有良好的抗溶血性能,涂层试样抗溶血性能明显更好。(6)通过对参与植入实验的一个月后小鼠各器官检测,小鼠均出现不同程度的炎症,植入无涂层试样的小鼠处于炎症恢复期,腿部含有少量镁合金碎片;植入涂层试样的小鼠处于炎性急性期,腿部含有大量的镁合金碎片;表明:涂层减缓了试样在小鼠体内的降解腐蚀速率。