【摘 要】
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基于良好的力学性能和生物相容性,金属基可降解材料成为生物医用材料领域的研究热点。此前的研究主要集中在镁和铁基合金上。然而,降解速率过快和过慢的问题分别制约了这两种合金在临床上的应用。近年,锌及其合金因具有更适宜的降解速率和生物相容性而受到广泛关注。目前,探索新的合金种类及加工工艺来进一步提高锌合金的力学性能并有效控制其降解速率已成为重要的研究方向。本文以迄今广泛研究的Zn-Mg二元合金为基,探索了
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基于良好的力学性能和生物相容性,金属基可降解材料成为生物医用材料领域的研究热点。此前的研究主要集中在镁和铁基合金上。然而,降解速率过快和过慢的问题分别制约了这两种合金在临床上的应用。近年,锌及其合金因具有更适宜的降解速率和生物相容性而受到广泛关注。目前,探索新的合金种类及加工工艺来进一步提高锌合金的力学性能并有效控制其降解速率已成为重要的研究方向。本文以迄今广泛研究的Zn-Mg二元合金为基,探索了 Zn-Mg-X（X=Sn,Zr）三元合金作为生物医用可降解材料的可行性。经过铸造、均匀化及热反挤压变形工序后,借助金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、拉伸试验机、硬度仪及电化学工作站等一系列实验设备和检测手段,系统研究了 Zn-Mg-X三元合金的微观组织、力学性能及耐蚀性能,并初步探讨了相应的组织和性能变化机理。（1）微观组织:铸态Zn-1Mg二元合金由枝晶状初生Zn相及层片状共晶Zn+Mg2Zn11相构成。添加Sn和Zr元素后,在Zn-Mg-Sn及Zn-Mg-Zr合金的初生Zn枝晶间分别形成Mg2Sn及Zn22Zr中间相,其数量随添加元素含量增加而增加。均匀化处理后,Zn-Mg-Sn合金组织中的Mg2Zn11相的形貌和尺寸未发生显著变化,但Mg2Sn相有所分解而使Sn元素分布更为广泛;Zn-Mg-Zr合金中的Zn22Zr相的形貌和尺寸未发生明显改变,但共晶组织转变为独立的非连续Mg2Zn11相。热反挤压变形后,初生Zn相扭曲变形,尺寸大幅度减小,并形成大量的孪晶。同时共晶Mg2Zn11相、Mg2Sn及Zn22Zr中间相均发生破碎细化,并均布于Zn基体中。（2）力学性能:挤压态二元Zn-Mg合金的维氏硬度（HV）、压缩屈服强度（CYS）、拉伸屈服强度（TYS）及抗拉强度（UTS）远高于纯锌,分别达到91.85、298.06MPa、243.67MPa及307.42MPa,但延伸率从9%下降至0.84%。添加Sn之后,挤压态Zn-Mg-Sn三元合金的HV、UTS、TYS及CYS均略有下降,且下降幅度随Sn含量的增加而增加,但延伸率逐渐提高。添加Zr元素后,挤压态Zn-Mg-Zr三元合金的HV、CYS、TYS、UTS及延伸率在一定程度上有所提高,但增加幅度随Zr含量增加呈先下降后上升的趋势。其中 Zn-1Mg-0.4Zr 的 HV、UTS、TYS、CYS 及延伸率分别达到 93.5,301.3MPa、241.1MPa,317.5MPa和4.69%。Zn-Mg-Sn/Zr合金断裂面均出现解理河流花样,为典型的脆性断裂。（3）腐蚀性能:挤压态Zn-1Mg合金腐蚀速率较纯锌有所加快。添加Sn元素后,挤压态Zn-Mg-Sn合金的腐蚀速率随Sn含量增加而逐渐减小,但均高于Zn-1Mg合金。其中Zn-1Mg-0.8Sn在SBF中浸泡21天的腐蚀速率最快,为0.363mm/y。Zn-Mg-Zr合金的腐蚀速率均低于Zn-1Mg,且随Zr含量增加逐渐降低,其中Zn-1Mg-0.4Zr于SBF中浸泡21天的腐蚀速率为0.270mm/y,为各组最慢。在SBF中,Zn-Mg-Sn合金腐蚀较为均匀,初生Zn相保留完整。Zn-Mg-Zr合金出现孔洞点蚀坑,Zn22Zr相残留在孔洞边缘。综合分析所制备合金的微观组织、力学性能和耐腐蚀性能发现。反挤压Zn-1Mg-0.8Sn合金与生物骨替代材料的性能要求接近,而Zn-1Mg-0.4Zr合金与生物可降解血管支架的性能要求接近。因此,在不同Sn和Zr含量的合金中这两种合金的综合性能相对最为优异,但延伸率仍需进一步研究与改善。
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