镁合金由于其高比强度、绿色环保和优异的生物相容性,从而具备良好的医用前景。然而,在生物体液环境中相对过快的腐蚀速率极大限制其作为生物可降解材料的广泛应用。如何有效降低腐蚀速率,保证可植入镁合金服役期间的机械性能和结构完整性是可降解镁合金设计开发中的关键问题。本课题基于重稀土元素镱(Yb)对ZK60商用镁合金力学性能提升的有益效果,系统考察Yb添加量和热处理工艺对模拟体液环境下ZK60镁合金生物腐蚀性能的影响,阐明Yb存在形式和分布状态对合金腐蚀行为和生物毒性的影响规律。这些研究为含镱高强韧稀土镁合金的生物医用提供理论和实践指导。本论文主要研究内容包括:首先在固溶状态下研究了镱含量对ZK60镁合金的生物腐蚀性能,通过微观组织观察和力学性能测试发现Yb可有效降低ZK60镁合金的晶粒尺寸,并提升硬度、拉伸强度等力学性能。电化学测试与恒温浸泡腐蚀试验表明Yb可以有效提高固溶态ZK60镁合金的生物腐蚀性能,1.0wt.%Yb添加的合金由于具有最优的固溶程度和较小的晶粒尺寸,因此获得了最好的腐蚀速率为~1.31 mm/Year。体外生物相容性实验也表明添加不同含量Yb的固溶态ZK60镁合金浸提液不具有明显的人体细胞毒性,溶血率均低于0.1%,具有优异的生物安全性。时效状态下镱含量对ZK60镁合金的生物腐蚀性能的影响趋势与固溶态相似。微观组织观察发现Yb在稳定时效态ZK60镁合金晶粒尺寸的同时进一步改善了第二相分布和形貌,由细晶强化与析出强化的共同作用有效提升合金力学性能。电化学测试与恒温浸泡腐蚀试验表明,Yb可有效提高时效态ZK60镁合金的生物腐蚀性能。其中2.0wt.%Yb添加的合金由于大量弥散分布的纳米级析出相使腐蚀过程更加均匀。所产生的致密均匀的腐蚀产物膜可有效抑制局部腐蚀和腐蚀渗透,从而获得了较低的腐蚀速率~1.49mm/Year。体外生物相容性试验表明,添加不同含量Yb的时效态ZK60镁合金浸提液不具有明显的人体细胞毒性,且浸提液的溶血率低于2%,具有较好的生物安全性。ZK60–2.0wt.%Yb合金时效过程的析出相密度随时间延长而提高,形态上由链状逐渐演变为粗大的树枝状。在峰值时效态晶粒内部出现大量细密的纳米级析出相。电化学与恒温浸泡腐蚀实验表明,合金腐蚀性能与时效时间密切相关,16 h峰值时效的合金由于致密的纳米级析出相构建的均匀腐蚀模式而获得了良好的耐腐蚀性能。而24 h的过时效样品却由于粗大的析出相导致严重的微电偶效应和局部腐蚀。体外生物相容性试验表明,析出相形貌和分布的差异并没有明显影响合金浸提液的细胞毒性,而溶血率却随时效时间延长而逐渐增大。研究证明,稀土元素Yb可以在提升ZK60镁合金力学性能的同时有效降低材料的生物腐蚀性,且具有出色的生物相容性。含Yb的ZK60镁合金拥有作为生物医用材料的巨大潜力。