【摘 要】
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可降解镁合金是具有良好生物安全性的新一代医用植入金属材料,可降解镁合金的腐蚀降解速度有效调控是镁生物材料应用中存在的关键难题。本文采用微弧氧化方法在AZ31镁合金表面
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可降解镁合金是具有良好生物安全性的新一代医用植入金属材料,可降解镁合金的腐蚀降解速度有效调控是镁生物材料应用中存在的关键难题。本文采用微弧氧化方法在AZ31镁合金表面制备含有CaSiO3-CaP组分的生物陶瓷涂层,研究微弧氧化工艺参数对涂层组织结构的影响,揭示涂层试样在体外和体内生物环境中的腐蚀行为,并初步研究涂层的摩擦学性能。结果表明,微弧氧化涂层主要由MgSiO3、Mg2SiO4、CaSiO3以及MgO组成。微弧氧化涂层厚度和粗糙度随氧化时间延长而增加,7.5min之后因放电火花衰减涂层生长速度减慢,厚度和粗糙度均变化较小;提高频率使放电火花衰减较快,导致涂层生长速度减慢,提高占空比对涂层表面形貌影响较小,但可增加涂层粗糙度。微弧氧化涂层在模拟体液中具有良好的抗腐蚀能力,氧化时间为10min时涂层腐蚀电流达到2.4826×10-7A/cm2,腐蚀电位达到-1.3910V。在模拟体液中浸泡8天时间内,电化学的阻抗弧由钝化膜和微弧氧化涂层主导转变为大面积腐蚀产物层主要控制。20μm微弧氧化涂层试样的平均腐蚀速率为2.500mm/a,是AZ31基体试样的1/3左右。试样的腐蚀主要集中在一至两个点蚀坑附近,点蚀坑深度不断加深,甚至横穿或切断试样。涂层试样上基体微区裸露区域的腐蚀模型实验表明,腐蚀萌生在与涂层接壤的裸露区域,产生的腐蚀产物堆积挤压其周围的涂层,使其出现裂纹,诱导应力腐蚀。涂层下的基体腐蚀降解速度快,并不断扩展,最终形成较大点蚀坑。涂层试样在模拟体液中的腐蚀机制为Cl-离子导致的点蚀和楔形应力腐蚀。涂层试样植入到骨缺损、骨折和背部肌肉部位4周后,涂层试样基本保持完整,但涂层表面出现均匀龟裂纹,同时伴随有Ca、P等元素沉积;与模拟体液中浸泡4周的涂层试样相比,未发现点蚀与涂层剥落现象,表明体内腐蚀行为不能被体外模拟体液环境简单模拟。涂层试样在植入兔子体内后,有促进骨愈合作用,但无涂层基体促进骨愈合更活跃。镁合金在体内降解过程中,对动物的心脏没有明显的毒害作用。微弧氧化涂层在磨穿破坏前具有较高的摩擦系数(0.50.8),较低的磨损速率0.10.2×10-3mm3/(m·N)。微弧氧化涂层的主要磨损失效机制是震动引起的涂层开裂剥落,产生磨损颗粒,在对磨球和涂层之间加速磨损,导致涂层最终被磨穿。
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