激光选区熔化制备的生物可降解铁铜合金性能研究

作     者：卢嘉豪 

作者单位：东莞理工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：万鹏;李卫荣

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：激光选区熔化 生物可降解 铁铜合金 生物相容性 动物实验 

摘      要：生物可降解金属被认为是具有革命性意义的新型医用金属材料,近二十年来受到国内外的广泛关注和研究。相比于传统医用金属材料,生物可降解金属植入后可在体内吸收,不需要二次手术取出,同时其力学性能与人体骨组织相近,避免应力遮挡效应。 本论文通过激光选区熔化（SLM）制备了一系列生物可降解铁铜（Fe-xCu）合金,以真空感应熔炼（VIM）制备的Fe-xCu合金作为对比,开展了Fe-xCu合金的物相、微观组织、硬度、拉伸强度、体外降解性能、细胞相容性、抗菌性能和动物实验等研究。主要研究内容和结论如下: 研究了Fe-xCu合金的微观组织与力学性能。结果表明:SLM Fe-xCu合金组织为α-Fe铁素体,金相组织观察显示晶粒呈等轴状且尺寸均匀。相较于VIM,SLM的快速冷却产生了明显的晶粒细化作用。加入不同含量的Cu后,平均晶粒尺寸从SLM Fe的4.23±2.18μm细化到SLM Fe-5.0Cu的2.30±0.93μm。得益于SLM的晶粒细化的作用,SLM Fe展现出比VIM Fe更高的显微维氏硬度和拉伸强度,SLM Fe的维氏显微硬度、拉伸屈服强度和极限拉伸强度分别为VIM Fe维氏显微硬度、拉伸屈服强度和极限拉伸强度的1.40、5.80和3.10倍。Cu合金化后,SLM Fe-xCu合金的力学性能得到进一步提高。 研究了Fe-xCu合金的体外降解性能。结果表明:电化学腐蚀实验和静态浸泡腐蚀实验得到的结果都呈现出一个趋势:VIM Fe-xCu合金的腐蚀速率快于SLM Fe-xCu合金的腐蚀速率,且随着合金中Cu含量的增加,Fe-xCu合金的腐蚀速率加快。SEM观察到SLM Fe-xCu合金腐蚀形态以点蚀和晶界腐蚀为主;XRD物相分析和EDS分析表明腐蚀产物主要由磷酸盐、FeO、Fe（OH）、α-Fe O（OH）和羟基磷灰石组成。 研究了Fe-xCu合金的生物相容性。结果表明:Cu含量高的SLM Fe-5.0Cu合金表现出对MC3T3-E1细胞的增殖起到一定的抑制作用,但所有的SLM Fe-xCu合金的细胞存活率均大于70%,表明对MC3T3-E1细胞无毒性。Cu的加入提高了Fe-xCu合金的抗菌性能。Cu可以促进新骨生成,VIM Fe-xCu合金的体内腐蚀速率快于SLM Fe-xCu合金,与体外降解性能研究结果一致。植入物未对SD大鼠脏器造成不良影响,表现出良好的生物安全性。