新型可降解Zn-Ge合金制备及生物相容性能研究

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锌(Zn)及其合金具有良好的降解性和生物功能性,在可降解植入材料领域表现出极大的应用潜力。但是,现已开发的锌合金的力学性能较差—强度低、塑性差,显著限制其在医用可降解金属材料领域进一步的临床应用。因此,力学性能提升是锌合金进一步临床应用亟待解决的关键科学问题。本文通过锌合金成分设计、显微组织优化,发展了Zn-x Ge(x=1、3、5 wt.%)和Zn-3Ge-0.5X(X=Cu、Mg、Fe)合金,系统研究了合金成分、加工工艺对其微观结构、力学性能、降解行为、血液相容性及细胞毒性等的影响。主要研究内容和结果如下:首先,以Ge为合金化元素,设计Zn-Ge二元可降解合金体系,并评估了力学性能、降解行为、血液相容性及细胞毒性等性能。结果表明:Zn-Ge合金微观组织主要由α-Zn相和共晶相(α-Zn和Ge相)组成,Ge对Zn合金具有显著晶粒细化效果;热轧态Zn-5Ge合金具有优异的力学性能,其抗拉强度(σUTS)为237.0 MPa,伸长率(ε)为21.6%;合金的降解速率随着Ge元素添加量逐渐下降,铸态Zn-5Ge具有最低的降解速率;Zn-Ge合金表现出优异的体外血液相容性,适量的Ge元素的添加有效地增强了纯Zn的血液相容性;Zn-Ge合金中稀释提取物(浓度为50%和25%)比纯Zn具有更高的细胞活性。其次,在Zn-3Ge合金基础上,选用人体必需营养元素Cu、Mg和Fe对合金进行微合金化处理,制备了具有优异耐腐蚀性能和生物相容性的Zn-3Ge-0.5X三元合金。结果表明:Zn-3Ge-0.5X合金微观结构中除了α-Zn相、共晶相外,还含有少量的不规则Mg2Zn11和FeZn13中间相在晶界处;微合金化后,热轧态Zn-3Ge合金强度和硬度得到显著提升,其中Zn-3Ge-0.5Mg合金表现出更优的屈服强度,比Zn-3Ge合金提升了44.7%;在Hank’s溶液中浸泡1个月后,铸态合金降解速率比热轧态合金小,其中Zn-3Ge-0.5Fe合金表现出最低的降解速率;MG63细胞在稀释后的合金浸提液中进行CCK-8细胞毒性实验得出,Zn-3Ge-0.5X合金表现出较低细胞毒性,其中Zn-3Ge-0.5Cu合金细胞存活率均超过90%,表现出最优异的细胞相容性。
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