生物医用PLA/Mg复合材料的界面特征及组织性能研究

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生物医用镁板增强聚乳酸(PLA)复合材料综合了两种材料的优点,在可完全降解及优良的力学性能基础上,还具有力学和降解性能可调控、降解微环境酸碱中和等特点,在人体骨科固定植入器械上具有广泛的应用前景。界面特征和结合情况是影响复合材料性能的关键因素,尤其对于体内植入材料来说,界面不仅关系到该复合材料的力学性能,对其服役过程中的降解性能和力学保持性能也有十分密切的影响。因此,PLA/Mg复合材料不同组分之间的界面类型、组织特征、结合情况,及对性能的影响是该材料研究中的关键问题,对优化复合材料制备工艺、科学评估其在体内的降解行为、预测使用寿命等都具有重要的理论和实际意义。本文首先采用化学转化、阳极氧化和微弧氧化工艺对镁合金表面进行了处理,通过SEM/EDS. XRD等手段观察和分析了不同表面处理后的氧化层形貌和结构。随后采用热压法制备了PLA/镁板复合材料,系统研究了原始板材和表面处理板材与聚乳酸之间的界面结合特征及强化机制,并采用拉伸、弯曲和剪切试验研究了镁合金不同表面处理对复合材料力学性能的影响。最后,对这些复合材料在模拟体液中的降解行为进行了评价和分析。主要结论如下:镁合金经化学转化、阳极氧化和微弧氧化表面处理可以获得具有不同微观形貌、结构和性能的表面膜层,显著改善PLA/Mg复合材料的界面性能。其中化学转化和微弧氧化处理使复合材料两相界面平均剪切强度提高300%以上,此时界面断裂面发生在聚乳酸内部。两种阳极氧化使复合材料界面平均剪切强度提高70%左右,此时主要发生氧化膜自身的破坏。PLA/Mg复合材料的界面结合作用主要为摩擦力、分子间作用力和机械锁合力。镁合金阳极氧化和微弧氧化处理对复合材料的强化主要是由于聚乳酸嵌合在微弧氧化膜的多孔结构中形成的机械锁合作用。化学转化处理强化主要源于氟转化膜与聚乳酸基体形成的润湿吸附及静电吸附等分子间作用力。镁合金板对聚乳酸具有显著的强化效果。镁合金板经表面处理可以使复合材料的力学性能大幅提高,其中化学转化镁合金/聚乳酸复合材料的抗拉强度、弯曲强度和冲击韧性达到120MPa、160MPa和207 KJ/m2,分别为纯聚乳酸的2.22、1.45和11.67倍。随着浸泡时间的延长,复合材料的力学性能不断下降。聚乳酸表面裂纹的出现、聚乳酸的降解、镁板表面氧化膜的腐蚀以及镁板与聚乳酸界面结合强度的降低是导致复合材料浸泡后弯曲强度等性能下降的重要原因。通过对复合材料失重率、粘均分子量和PH值变化、氢气释放规律及镁合金腐蚀形貌的分析,发现聚乳酸基体及镁合金表面处理膜层对镁合金基体具有双重的保护作用,在浸泡末期镁合金板仅发生轻微腐蚀,界面粘结性减弱是复合材料失效的主要原因。
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