医用镁锌锶钙合金性能及降解速率控制

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1、医用镁锌锶钙合金性能及降解速率控制第1章绪论1.1引言医用金属材料是临床应用最广泛的植入材料。主要用于骨和牙等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。其中硬组织修复与替换材料，是生物材料中发展最早、最成熟的领域，由于具有较高的强度、良好的韧性和化学稳定性等优点，广泛应用于硬组织替换和修复植入体等方面[24]。据不完全统计，我国每年的骨修复病例在300万例左右，骨修复材料需求量在200万。而实际每年的使用量只有20万，其中国产材料占60%[5]。随着老龄化社会的到来以及人民生活水平的不断提高，我国对硬组织修复与替换材料的需求的重点也渐

2、渐向质量上转移，在我国进行新型人体硬组织植入材料的研究和开发具有重大的社会意义和经济效用。..1.2金属硬组织生物材料选择要求及发展据目前的研究，金属材料要作为生物材料的应用，必须严格满足一些典型的生物学要求乂包括：(1)良好的组织相容性、无毒性、不致畸致癌、不引起过敏反应和干扰机体的免疫、不破坏临近组织等；（2)物理化学性质稳定，强度、弹性、尺寸、耐腐蚀及耐磨性稳定；（3)易于加工成型，能容易制成各种需要的形状。骨和关节系统是人体主要承受负荷的组织和器官。它们缺损后的修复和替换材料应有较高的力学强度，因而较高力学强度的金属材料一直是矫形外科的主要材料。表1

3、.1是各类生物材料综合性能比较，从表可知：与高分子材料和陶瓷材料相比较，金属材料具有较高的强度、初性和加工性能；另一方面，金属医用器件在临床上失效的原因大部分因为其不太好的生物相容性、耐腐烛性和耐磨性。因此，要求人工硬组织材料不仅应具有良好的强度、韧性、抗冲击疲劳性以及优异的耐磨性，同时还应具有良好的生物相容性和耐烛性，以满足不同的临床需求。1926年，含18%铬和8%键的不绣钢首先应用于骨科治疗，60年代研究的317L在医疗中使用量较大。不锈钢主要制作固定骨折部位的接骨板、骨钩和骨螺钉等零件，也有用来制造人工骨、人工关节的。尽管不诱钢成本低，具有较好的生物

4、相容性，但其缺点多，限制了不锈钢的广泛应用，例如在体内和组织反应；在人体生理环境下，会发生点蚀和晶间腐烛，影响其稳定性[7]；密度及弹性模量与人体硬组织差距大，导致力学相容性降低。.第2章实验材料及方法2.1Mg-Zn-Sr-Ca合金的制备合金化是提高镁合金综合性能的有效手段，所以从生物学和冶金学两方面考虑，选定合适的合金元素制备硬组织替换材料Mg-Zn-Sr-Ca。锌是锌酶的主要成分，锌对于人的正常成长和发育是必不可少的。成年人每日需要摄入13mg的锌。在二元Mg-Zn合金相图中，Zn会在续基体的前沿析出，阻止晶粒的长大，从而细化晶粒，锌在镁中的最大固溶度

5、为6.2%,具有固溶强化和时效强化的双重作用，但是过多的锋会使合金的力学性能下降[79]，因此锌的含量控制在3%左右，所以本课题设定的锌的含量为3%。错是碱土元素金属之一，锁元素作为镁合金中的晶粒细化元素，可以有效地细化镁合金晶粒，提高合金的螺变性能，对镁合金耐腐蚀性能有利_。当在镁合金中加入Sr的含量大于0.3%时，合金组织分布均匀、细腻，但是当含量大于1.2%时，晶界处出现的共晶组织呈断续网状分布，合金的晶粒增大[81]，因此本课题中Sr的含量设为1.0%。钙是人体重要的基本组成元素，99%的韩存在于骨豁中。韩还可以在体内与钠、钾等元素一起调节神经和肌肉

6、的活动，同时可将人体中一些有毒有机物转化为无毒的。成年人每天应摄取100mg钙[82]。Ca在钱基体中的固溶度较低，加入到合金中主要以Mg2Ca中间相存在，但其强化作用不强。但Ca的细化作用明显，加入I丐元素之后，会在固液界面前沿产生一定的成分过冷，从而可以起到提高成核率同时抑制晶粒生长的作用，因此可提高镁的强度和塑性等。同时，Ca能明显的提高镁合金燃点，形成MgO+CaO复合保护膜，减少绕注及热处理中的氧化，起到阻燃作用[83]。欧阳春等研究表明含Ca量为1%的镁合金表现出良好的抗腐烛性能，过量Ca的加入会形成大量的MgiCa相，将可能弱化镁合金的耐腐蚀性

7、能，因此本文设定的两种不同合金的含I丐量均低于1%。综上，本课题设定了M[g-3%Zn-l%Sr-0.5%Ca和Mg-3%Zn-l%Sr-0.8%Ca这两种不同成分的合金。.2.2实验所需的化学药品首先将试样经过400#，800#，1000#,2000#砂纸逐层打磨，然后在PG-2C型金相试样抛光机上抛光试样，用苦味酸酒精醋酸溶液对合金进行腐蚀，腐烛液的具体配比如下：5g苦味酸+10mL醋酸+50mL无水乙醇+10mL水。用OLTMPUSGX51金相显微镜进行金相观察。采用P形貌，由A图可知合金基体表面均匀覆盖着细小的圆形颗粒，从B图及表4.1可以得知Ca、

8、P、0的峰较高，可知合金表面形成的圆形颗粒含较高的C