HA/ZK61生物复合材料及其表面转化膜的制备和性能研究

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与临床医用高分子材料和无机非金属材料相比,医用金属材料因其优异的强度、良好的韧性和卓越的抗疲劳强度而广泛应用。但常见的医用金属材料(不锈钢、钴基合金、钛和钛合金等)植入人体后会引发应力遮蔽效应且需要二次手术从人体中取出,增加了病患痛苦,甚至释放一些损害人体健康的有毒离子。与常用医用金属材料相比,镁及镁合金因其具有良好的生物相容性、力学相近性和体内可降解性而在生物医用植入材料领域发展前景广阔。但镁合金作为植入材料降解速率过快,超过受损骨组织的愈合速率,这限制了镁合金在植入材料领域的发展。羟基磷灰石(HA,Ca10(PO46(OH)2)与人体骨组织有相似的矿物成分和结构,具有优秀的生物相容性、骨诱导性和生物活性,但是其脆性大、韧性差的特点限制了其在承重骨移植替代材料的应用。为了结合镁合金和羟基磷灰石的优势,改善镁合金耐蚀性、力学性能和生物相容性,本文选取ZK61镁合金粉为基体,HA粉为增强体,采用粉末冶金和热挤压的方法制备了HA/ZK61镁合金复合材料,研究不同含量的HA(x=0,10,20,30wt.%)对复合材料的微观结构、力学性能和腐蚀性能的影响。对研究范围内综合性能最佳的HA/ZK61复合材料进行植酸转化处理,进一步提高其耐蚀性能。采用粉末冶金和热挤压法制备的HA/ZK61复合材料由Mg相和HA相组成,致密度随着HA质量分数的增加而降低。制备的三种镁合金复合材料的力学性能均可以满足人体骨骼所需的力学性能,并且HA的添加提高了复合材料的硬度和强度,硬度随HA含量的增加而增加,最大硬度值为92.07 HV;强度在HA含量为20%达到最大,压缩屈服强度和抗压强度分别为173 MPa和510 MPa。电化学实验结果表明,ZK61-10HA复合材料的腐蚀电流(22.2μA)约为挤压后ZK61合金腐蚀电流的五分之一,腐蚀电位略有提高;72 h浸泡实验结果表明,ZK61-10HA复合材料的pH值(8.3)变化最缓慢、析氢总量(16 mL/cm2)最少、失重(62.1 mg)最小,即ZK61-10HA复合材料具有最好的耐蚀性。因此,选用综合性能较佳的ZK61-10HA复合材料进行表面处理,进一步提高其耐蚀性能。采用化学转化法在ZK61-10HA复合材料表面制备植酸转化膜,研究了转化液pH值、转化温度、转化时间和转化液浓度四个因素对复合材料微观表面形貌和耐蚀性能的影响,其主次关系为转化液pH值>转化温度>转化时间>转化液浓度,得到最佳成膜工艺为植酸转化液pH=5,转化温度为60?C,转化时间30 min,转化液浓度为5 mL/L。电化学实验表明,与未处理的ZK61-10HA复合材料相比,经过植酸转化处理后腐蚀电流约降低两个数量级,腐蚀电位提高约150 mV,且极化曲线出现显著钝化区。在模拟体液中7天浸泡实验表明,经过植酸转化处理后材料耐蚀性显著提高,腐蚀速率基本稳定在2.4 mL·cm-2·d-1,pH基本稳定在8.2。通过EDS和FTIR分析可知转化膜的主要成分为:金属植酸盐、氢氧化物和氧化物。
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