【摘 要】
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金属材料因易于加工成型和机械性能良好而被广泛应用于医疗领域。作为医用植入材料,生物可降解金属材料有望解决传统的金属生物材料如钛合金、医用不锈钢和钴系合金等由于耐蚀性良好而需要二次手术取出的问题,具有一定优势。在生物可降解金属材料中,锌合金因其良好的生物相容性而具有广泛的应用前景。然而纯锌力学性能较差,降解速率相对缓慢,限制其在生物医用领域的应用。因此,改善锌基合金的力学性能,调控锌基合金的腐蚀和降
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金属材料因易于加工成型和机械性能良好而被广泛应用于医疗领域。作为医用植入材料,生物可降解金属材料有望解决传统的金属生物材料如钛合金、医用不锈钢和钴系合金等由于耐蚀性良好而需要二次手术取出的问题,具有一定优势。在生物可降解金属材料中,锌合金因其良好的生物相容性而具有广泛的应用前景。然而纯锌力学性能较差,降解速率相对缓慢,限制其在生物医用领域的应用。因此,改善锌基合金的力学性能,调控锌基合金的腐蚀和降解速率,有效提高其抗菌性能是本文的主要研究目标。本研究采用粉末冶金技术制备了Zn-Mg二元合金,研究压制压力、烧结温度以及Mg含量对Zn-Mg合金孔隙度、显微组织、力学性能、腐蚀性能的影响。在Zn-Mg合金中,分别添加Cu、Ag元素制备Zn-Mg-Cu和Zn-Mg-Ag三元合金,研究合金元素Cu、Ag对于Zn基合金显微组织、力学性能、耐腐蚀性能和抗菌性能的影响。Zn-Mg合金研究表明:随着压制压力和烧结温度的提高,Zn-Mg合金的孔隙度降低。当Mg含量从0.5wt%增加到2.5wt%时,Zn-Mg合金的孔隙度先降低后增加,在1.0wt%Mg达到最小值。SEM和XRD分析结果表明Mg含量在0.5～2.0wt%时,Zn-Mg二元合金中仅存在η-Zn固溶体,而Zn-2.5Mg合金出现明显Mg2Zn11第二相。随着烧结温度的提高和Mg含量的增加,Zn-Mg合金的显微硬度和抗压强度都同时增加,380℃烧结2h后Zn-2.0Mg合金的显微硬度和抗压强度分别为65.8HV和112.4MPa。电化学分析和腐蚀失重实验表明:Mg元素添加量为0.5～1.0wt%时,Zn-Mg合金表现出比纯Zn更好的耐腐蚀性,其中,Zn-1.0Mg合金的耐腐蚀性最好。当Mg含量在1.0～2.5wt%时,随着Mg含量增加,Zn-Mg合金的自腐蚀电位降低,维钝电流密度、腐蚀速率和失重分别增加,表现比纯Zn更快的降解速率和腐蚀倾向。Zn-Mg-Cu合金研究表明:Zn-2Mg-x Cu合金（x=0.5～2.0wt%）均由η-Zn相和Mg2Zn11相组成,随着Cu含量的增加,Zn-2Mg-x Cu合金中的孔隙增多,Mg2Zn11相数量增多;Zn-2Mg-x Cu合金的显微硬度和抗压强度均出现先增加而后降低的现象。380℃烧结2h后Zn-2Mg-1.5Cu合金的显微硬度和抗压强度最大为77.3HV和126.7MPa。随着合金中Cu含量的增加,Zn-2Mg-x Cu合金的维钝电流密度、腐蚀速率和失重均比Zn-Mg合金增加,腐蚀倾向更明显。人工模拟体液腐蚀浸泡14天后,Zn-2Mg-x Cu合金表面出现明显的腐蚀坑,腐蚀产物分析的结果表明Zn-Mg-Cu三元合金在模拟人工环境中的腐蚀有助于引导磷酸钙沉积。Zn-Mg-Ag合金研究表明:在Zn-Mg合金中添加Ag元素后（x=0.5～2.0wt%）,Zn-2Mg-x Ag三元合金中出现了Mg Zn2第二相,随着Ag元素含量的增高,Mg Zn2相含量增多,烧结后Zn-2Mg-x Ag的显微硬度和抗压强度先提高而后降低,当Ag含量为1.5wt%时,Zn-2Mg-1.5Ag显微硬度和抗压强度达到最大81.9HV和130.6MPa;Zn-Mg-Ag合金与Zn-Mg和Zn-Mg-Cu合金相比,自腐蚀电位相差不明显,但是维钝电流密度明显增高,表现出较大的降解速率和失重。人工模拟体液腐蚀浸泡14天后,Zn-2Mg-x Ag合金表面有明显的腐蚀坑存在,腐蚀产物中富集大量P和Ca等元素。对Zn-Mg-Cu合金和Zn-Mg-Ag合金进行的抗菌性能研究结果表明,两种三元合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出良好的杀灭和抑制增殖效果,具有很好的抗菌性。其中Zn-Mg-Ag合金的抑菌圈直径比Zn-Mg-Cu合金大,而与细菌共培养的吸光度值小,这表明Zn-Mg-Ag合金比Zn-Mg-Cu合金具有更好的抗菌性能。
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