论文部分内容阅读
生物医用镁合金因具有与人骨接近的密度和弹性模量、良好的可降解性和生物相容性以及没有炎症反应等优势,成为最有发展潜力的可降解金属基生物材料。但因其在人体内腐蚀速率过快,且与愈合骨的力学性能不匹配等问题而限制了其在临床上的广泛应用。针对此问题,本文选取ZK61镁合金粉为基体,β-磷酸三钙(β-Ca3(PO4)2,简称β-TCP)为增强相,采用高能球磨混粉和放电等离子烧结技术(SPS)制备了ZK61/β-TCP生物复合材料,以期改善镁合金的力学性能和腐蚀性能。本课题研究了不同含量β-TCP(x=0,5,10,15 wt.%)对其微观组织、力学性能、腐蚀性能和细胞毒性的影响,并对比分析了ZK61/5β-TCP复合材料热挤压前后组织及性能。研究结果表明:ZK61/xβ-TCP(x=0,5,10,15 wt.%)复合材料由Mg相、Mg0.97Zn0.03相和β-TCP相组成,其致密度随β-TCP含量的增加有所下降,但都超过90%;β-TCP的添加起到了强化作用,维氏硬度和抗压强度随β-TCP含量的增加而增加,抗压强度最大达到402±9 MPa;但是β-TCP质量分数为5%时试样的压缩应变最大,达到19.5%;复合材料的压缩断裂方式均属于脆性断裂。析氢试验中,由失重率、析氢量和p H值数据分析可知ZK61/5β-TCP试样的平均腐蚀速率最小,仅为15.9433 mm/a,当β-TCP含量超过5%时抗腐蚀效果减弱。复合材料的腐蚀方式以点蚀为主,腐蚀机制包括电偶腐蚀、局部腐蚀和颗粒剥落,而HA等腐蚀产物包覆在试样表面是材料腐蚀性能得到改善的本质。电化学试验结果显示ZK61/15β-TCP的腐蚀速率最小,腐蚀电位和腐蚀电流分别为-1.4629 V和120.54μA/cm2。复合材料在析氢试验和电化学腐蚀所表现出腐蚀性能的差异性主要是因为二者腐蚀机理的不同所导致的。细胞毒性试验结果显示L-929细胞在复合材料100%、50%和25%的浸提液下培养24 h、48 h和72 h后,细胞毒性评级都是1级或2级。对ZK61和ZK61/5β-TCP试样热挤压处理后,晶粒明显细化并且晶粒大小均匀。挤压ZK61和ZK61/5β-TCP的平均维氏硬度、抗压强度和抗弯强度都提高,抗压强度分别达到417±2和465±3 MPa,增幅分别达49.4%和37.6%,最大压缩应变增幅达到33.09%和21.06%;同时挤压ZK61的抗弯强度和抗拉强度都超过挤压ZK61/5β-TCP,抗拉强度分别为288.59和266.22 MPa,延伸率分别为16.85%和4.54%。由拉伸断口分析得知挤压ZK61断裂方式为延性断裂,而挤压ZK61/5β-TCP呈现脆性断裂,电化学试验结果显示挤压ZK61和挤压ZK61/5β-TCP腐蚀速率分别为0.7647 mm/a和0.6637 mm/a,抗腐蚀性能明显优于未挤压试样。