镁合金丝/聚乳酸复合材料的制备与性能研究

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本文综合利用镁合金和聚乳酸(PLA)在力学性能和降解性能方面的优势,采用热压和热拉拔的方法制备了可降解的Mg-2Zn丝/PLA复合棒材,并深入研究了制备工艺和微观结构对复合棒材的力学性能、体外降解性能和生物相容性的影响。采用微弧氧化(MAO)法、化学修饰法包括氢氟酸(HF)、多巴胺(DA)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)对Mg-2Zn丝材进行了表面处理。其中MAO处理之后的丝材表面粗糙多孔,大多数孔径为0.51.5μm,表面粗糙度为192.0±5.0nm,这有利于在制备复合材料的过程中丝材表面和PLA之间形成较强的机械锁合力。采用单丝拔出实验定量比较分析了不同的界面对界面结合强度的影响。采用Material Studio软件从分子动力学模拟的角度计算分析比较了Mg、MgO、MgF2表面和PLA之间的界面结合状态,揭示出Mg和PLA界面之间的相互作用为范德华力,MgO以及MgF2中的Mg和PLA中的羰基O之间形成了强烈的静电作用力。由于机械锁合力和静电作用力的结果使得MAO组的界面结合强度最高,该组丝材制备的复合材料的力学性能最好。采用热压和热拉拔的方法制备了MAO-Mg2Zn丝/PLA复合棒材,通过定向分布的丝材在PLA基体中的增强增韧效果,改善的界面结合以及热拉拔之后PLA基体的自增强效果,使得复合材料的力学性能得到了明显的提高。复合棒材的力学性能随着丝材体积分数的增加而增大。聚乳酸的弯曲强度为90MPa,丝材体积分数为20vol%时,热压态复合棒材的弯曲强度可以达到聚乳酸基体的2.3倍,为210MPa。直径为6mm的热压态复合棒材经过热拉拔三道次后,其弯曲强度的提高幅度超过了60%。理论计算分析了复合棒材的弯曲强度与Mg-2Zn丝材的体积分数和丝材的分布之间的关系。热拉拔作为一种有效的自增强技术可以提高PLA分子链的取向排列程度,因而也提高了PLA的结晶度以及熔融温度。通过对比研究热压态和热拉拔态复合棒材的体外降解性能,建立了复合棒材体外降解的数学模型,不仅很好地反映出弯曲强度、分子量和降解时间之间的关系,还能够预测降解的周期,通过调节丝材的用量和加工步骤调控复合棒材的降解速率。根据XR-CT结果可知,基于改善的界面结合效果,在降解过程中起主导作用的是降解介质通过复合棒材侧向外表面向芯部扩散而非从端部向棒材中间部位扩散。热拉拔三道次的复合棒材中,提高的取向度和结晶度减慢了PLA的降解速率以及Mg-2Zn丝材的腐蚀速率。复合棒材中PLA的降解机理和降解速率很大程度上依赖于丝材的体积分数,由于碱催化水解的原因,丝材体积分数越高,PLA的降解速率越大。采用小鼠胚胎成骨前体细胞(MC3T3-E1)与Mg-2Zn棒材、PLA棒材、热压态及热拉拔态复合棒材的浸提液进行共培养,结果表明Mg-2Zn棒材浸提液原液表现出细胞毒性,但在稀释十倍后,无细胞毒性。其它三组样品的浸提液原液均无细胞毒性。
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