生物医用可降解Zn-Sn系和Zn-Mg-Sn系合金的制备、组织及性能研究

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生物医用可降解金属材料因其良好的机械力学性能和生物相容性、降解产物无毒等特质,受到了科研人员的青睐。以镁及镁基合金和铁及铁基合金金属材料为代表的生物医用可降解金属材料已经进行了大量的研究,但两类合金各自存在问题在临床应用中受到限制:镁及镁基合金腐蚀降解速率过快,植入部位pH值过高伴有氢气囊的出现;铁及铁基合金腐蚀降解速率过慢,弹性模量过高引起“应力屏蔽”效应。锌的标准电极电位居于镁和铁之间,腐蚀降解速率与临床应用要求较为匹配,但纯锌机械力学性能较差,限制了其发展。本文采取合金化的方法来提高锌合金的机械力学性能,通过在纯锌中加入锡、镁合金元素,石墨模具铸造的方法制备了含有不同Sn含量的Zn-Sn和Zn-Mg-Sn系合金,对合金的金相显微组织、机械力学性能、腐蚀降解性能和血液相容性进行了表征与分析,探究合金的腐蚀降解机制。研究结果表明:(1)Zn-Sn系合金的金相组织改善并细化晶粒的尺寸,Sn与基体Zn并没有形成固溶体或者中间相,均匀分布在Zn基体晶界处中,阻碍了晶粒的长大,增加了晶粒形核位置的数量。机械力学性能提高,屈服强度和合金延伸率增大,硬度和抗拉强度先增大后减小,断裂方式为混合型断裂。Zn-2Sn的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度分别为129.1 MPa、91.2 MPa、5.10%和49.3 HV。随着Sn含量的增加,Zn-Sn系合金的腐蚀速率与纯锌相比先减小再增大,但腐蚀速率较为理想。pH值在浸泡初期的变化较大,浸泡后期波动较小,说明pH值的变化不会导致局部碱化。Zn-2Sn的浸泡腐蚀形貌最佳,材料整体的腐蚀较为均匀一致,未产生严重开裂及腐蚀深坑。(2)Zn-Mg-Sn系合金的金相组织改善,晶粒的尺寸细化,晶粒的晶界处析出了Mg4Zn7相和Mg2Sn相,阻碍合金凝固过程中晶粒长大,同时也增加了形核位置。机械力学性能随着Sn含量的增加显著提高,合金延伸率增大,屈服强度、硬度和抗拉强度先增大后减小,断裂方式为以韧性断裂为主的混合型断裂。Zn-Mg-2Sn的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度分别为173.2 MPa、120.7 MPa、5.64%和76.9 HV;Zn-Mg-Sn系合金的腐蚀速率与纯锌相比基本一致,pH值在浸泡初期的变化相对较大,浸泡后期波动较小。浸泡形貌表明Zn-Mg-1Sn的浸泡形貌最佳,腐蚀较为均匀稳定。(3)两种合金体系的溶血率均小于临床应用所要求的安全阈值,具有良好的溶血率,Zn-2Sn的溶血率仅为0.40%,Zn-2Sn和Zn-Mg-1Sn具有最优的血小板粘附性能。综合考虑合金的各项性能,Zn-Mg-1Sn具备最佳的性能,抗拉强度达到167.9 MPa,延伸率为4.23%,SBF溶液浸泡60天的降解速率为0.164 mm/year,pH值最高为8.63,溶血率仅有0.81%,符合骨科可降解植入材料临床应用的要求。
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