医用镁钙锌合金成分设计及表面改性研究

【摘要】：医用镁合金作为可吸收的植入材料具有巨大的发展潜力。本课题通过从生物学和冶金学两方面考察相关元素的作用,优选出了钙和锌作为合金元素,并在查阅大量文献的基础上,对镁钙锌合金的成分进行了设计,熔炼出了两种相同钙含量、不同锌含量的镁钙锌合金,即Mg-1.0 wt.%Ca-0.3 wt.%Zn和Mg-1.0 wt.%Ca-1.0 wt.%Zn。随后对其进行热处理和离子注入表面改性,并对合金元素强化机制及合金在模拟体液(SBF)中的腐蚀行为进行了研究。通过和纯镁、镁铝锌合金(AZ91)的性能对比,评价了镁钙锌合金作为硬组织植入物的优势和特点。 实验结果表明,Ca和Zn能够细化镁合金的组织,在合金中形成二元相Mg_2Ca和三元相Mg_6Ca_2Zn_3,合金经过人工时效后,Mg_6Ca_2Zn_3相弥散析出。合金的压缩和弯曲性能测试结果表明,随锌含量的增加,合金的弯曲模量、抗弯强度、弯曲断裂挠度增大,压缩模量、抗压强度、压缩屈服点等略有降低。 应用高能真空金属离子注入技术将Ti离子和Zr离子在110 keV的能量下,分别以5×1016 ions/cm~2、1.0×10~(17) ions/cm~2、1.5×10~(17) ions/cm~2三种不同剂量注入到纯镁、镁钙锌合金和AZ91合金的表面。EDS和XPS分析结果表明,离子注入后,合金表面的元素含量随着注入剂量的增加而增大,注入的Ti离子在合金表面形成了TiO_2层。离子注入前后表面纳米压痕测试的结果还证实,离子的注入使合金表面硬度和模量均有一定程度的提高。 三电极体系测试结果表明,未经离子注入的镁钙锌合金的极化阻力远高于纯镁,但低于AZ91;Zr离子注入后合金的极化阻力均高于Ti离子注入的合金。镁钙锌和AZ91合金在SBF中的浸泡实验结果表明,经过相同时间的浸泡,AZ91的质量损失速率较低,其次为锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金;离子注入后合金的腐蚀速率均显著降低,其中锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金的腐蚀速率最低,其耐腐蚀性优于AZ91。镁钙锌合金与AZ91表面均有羟基磷灰石生成,具有较好的生物活性。 锌含量为1.0 wt.%的镁钙锌合金经离子注入后在SBF中表现最稳定,同时具有合适的弯曲和压缩力学性能,是性能最佳的合金。这种合金经离子注入后,其体内植入物制品表面积最高可达240 cm~2,能够满足一般体内植入物的表面积要求。