医用含Mg多孔Ti-Cu合金的微波烧结制备及性能研究

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Ti-Cu合金因其优异的力学性能和抗菌性能,在人体硬组织修复和植入牙体替换等外科领域受到广泛关注,但其自身过高的弹性模量易引发“应力屏蔽”现象,同时其无生物活性。本文采用微波烧结协同Mg造孔技术制备了含Mg多孔Ti-Cu合金以降低Ti-Cu合金的弹性模量,并利用残留Mg的降解提升合金的生物活性。研究烧结温度、Cu含量、造孔剂Mg含量及粒径对多孔Ti-Cu合金显微结构、压缩性能、耐蚀性能、降解性能及抗菌性能的影响。同时,对含Mg多孔Ti-Cu合金进行6、24h的抗菌性能探究,并研究Mg造孔含量对多孔Ti-Cu合金的细胞相容性影响规律。结果表明含Mg多孔Ti-Cu合金的孔隙率随烧结温度的增加而减小,且孔隙间的连通增加,但孔隙数量随造孔剂Mg含量增加而增加,孔隙直径随Mg粒径增加而增加,Cu含量对合金的孔隙结构影响较小。合金主要由α-Ti相、Ti2Cu相、Cu2Mg相和Mg相组成,其中Ti2Cu相衍射峰强度随烧结温度和Cu含量增加而增加,造孔剂Mg含量和粒径增加对Cu2Mg相和Mg相变化有显著影响。含Mg多孔Ti-Cu合金的压缩强度及弹性模量均随烧结温度及Mg粒径的增加而增加,随Mg含量的增加而逐渐减小,而弹性模量随Cu含量增加先增加后减小,在3 wt.%时取得最大值(8.64 GPa)。同时所有试样的弹性模量变化范围为3.36-17.88 GPa,可避免“应力屏蔽”现象。合金的耐蚀性能在烧结温度为700°C时较差,而800-1000°C变化较小;Cu含量和Mg粒径对合金的耐蚀性无显著影响;Mg含量的增加则逐渐提高多孔Ti-Cu合金的腐蚀电位。700°C烧结制备的含Mg多孔Ti-Cu合金在SBF溶液中降解析氢量最大,可达到0.788 m L/(g·cm2),而其他工艺制备合金的降解析氢量仅为0.011-0.041 m L/(g·cm2),且含Mg多孔Ti-Cu合金在SBF溶液中浸泡降解后诱导出缺失Ca的类骨磷灰石,表明Mg的加入使含Mg多孔Ti-Cu合金具有生物活性。微波烧结的含Mg多孔Ti-Cu合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌24h的抗菌效能均可达到99.999%。6h抗菌效能中,700°C烧结试样的抗菌率最高,随着铜含量和Mg粒径的增加,试样抗菌率随之增加,而随着Mg含量的增加,试样的抗菌率先增加后减小,在15wt.%处获得最大值。MC3T3-E1细胞培养试验发现随着培养时间的延长,各种试样的OD值均随之显著增加,但是同一培养时间内,随着Mg含量增加,试样的OD值和细胞增殖率有所下降,尤其是Mg含量为20wt.%时,出现非常显著下降,细胞的碎片状大幅增加,死亡细胞杂质急剧增多。
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