【摘 要】
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生物可降解金属具有良好的生物相容性和可降解性,降低了患者二次手术风险和医疗成本,且降解产物对人体无副作用,成为了医学材料领域的研究热点。锌是人体必需的微量元素,其腐蚀速率处于镁、铁之间,具有良好的生物相容性和适宜的降解速率,被认为是一类非常具有研究价值和发展前景的新型可降解生物材料。但铸态纯锌的力学性能较差,远远达不到临床使用的性能要求,需要采用合金化、热处理及塑性变形等手段调控合金性能,以达到医
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生物可降解金属具有良好的生物相容性和可降解性,降低了患者二次手术风险和医疗成本,且降解产物对人体无副作用,成为了医学材料领域的研究热点。锌是人体必需的微量元素,其腐蚀速率处于镁、铁之间,具有良好的生物相容性和适宜的降解速率,被认为是一类非常具有研究价值和发展前景的新型可降解生物材料。但铸态纯锌的力学性能较差,远远达不到临床使用的性能要求,需要采用合金化、热处理及塑性变形等手段调控合金性能,以达到医用性能要求。本文为开发出一种组织和性能优良的骨植入用锌合金材料,通过Sr合金化Zn-1Mg合金的研究思路,开展Zn-1Mg-xSr合金微观结构、力学性能和降解特性的研究,为开发新型骨植入锌合金材料提供研究依据,论文工作得到以下结论:（1）铸态Zn-1Mg合金组织中基体为α-Zn,晶界处为α-Zn和Mg2Zn11的共晶片层状组织,还含有少量的非平衡相MgZn2。添加Sr元素后,铸态Zn-1Mg-xSr（其中,x=0.25、0.5、1wt.%）合金生成SrZn13相,晶粒尺寸变小。其原因是Sr在Zn中的固溶度非常低,较难溶于Zn基体中。合金凝固阶段,Sr富集在固/液界面前沿,增加了 Zn合金的过冷度,提高了形核率,表现为Sr元素能够显著细化铸态Zn-1Mg合金的组织,0.5wt.%的Sr元素对合金细化效果最明显,平均晶粒尺寸为26.2μm。均匀化处理后,非平衡相MgZn2回溶到基体中,共晶片层组织消失,晶内组织更为均匀。（2）合金在300℃热轧,将8mm厚的板轧至2mm,变形量为75%,轧制过程中,晶界处的Mg2Zn11相破碎,且沿轧制方向被拉长,不规则形状的SrZn13相碎裂,合金发生动态再结晶,其中Zn-1Mg-0.5Sr合金再结晶组织分数最大。（3）随着 Sr 元素含量的增多,铸态 Zn-1Mg-xSr（x=0、0.25、0.5、1 wt.%）合金的维氏硬度、抗拉强度不断提高。铸态合金的抗拉强度分别为128.12MPa、148.65MPa、158.31MPa、159.75MPa。热轧变形后,因细晶强化和第二相强化的协同作用,合金的显微硬度和抗拉强度均高于铸态合金,合金抗拉强度分别提升至162.78MPa、191.63MPa、211.96MPa、182.61 MPa。（4）电化学测试结果表明,Zn-1Mg-xSr合金的动态腐蚀行为基本一致。随着合金中Sr元素含量的增加,电位不断负移,这是由于随着Sr含量的增加,基体中分布了更多数量的SrZn13相,SrZn13相作为电偶腐蚀的阳极,促进了 Zn-1Mg合金的腐蚀,提高了合金的腐蚀速率。浸泡实验结果显示,合金中在浸泡前期腐蚀速率有所波动,最终腐蚀速率下降并趋于平稳。浸泡32天,铸态Zn-1Mg-xSr（x=0、0.25、0.5、1wt.%）合金的腐蚀速率分别为 0.169mm/a、0.171mm/a、0.174mm/a、0.203mm/a,对应轧制态合金的腐蚀速率分别为0.155mm/a、0.162mm/a、0.174mm/a、0.196mm/a。综上所述,在 Zn-1Mg-xSr（x=0、0.25、0.5、1wt.%）合金中,Zn-1Mg-0.5Sr合金晶粒最细小,力学性能最高,与天然骨的力学性能接近。且降解速率为0.174mm/a,满足可降解生物合金在体外模拟环境中腐蚀速率应小于0.5mm/a的要求,有望成为一种新型可降解骨固定物材料。
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