zr基大块非晶合金生物相容性研究

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1、摘要本论文采用电弧熔炼/水冷铜模吸铸法制备了不同的Zr基大块非晶合金。利用X射线衍射分析仪（XRD）、光学显微系统（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、示差扫描量热仪（DSC）、差热分析仪（DTA）、Instron力学试验机、电化学设备、等离子质谱仪（ICP-MS）、X射线光电子能谱仪（XPS）、细胞培养技术和四唑盐（MTT）比色法等实验手段系统研究了不同Zr基大块非晶合金的结构、热稳定性、晶化行为、压缩力学性能、电化学行为、离子溶出及细胞毒性等。本论文首先研究了Zr65-xNbxCu17.5Al7.5Ni10(x=0,2,5%)大块非晶合金在模拟体液中的极

2、化行为。结果表明，所有的合金都能自钝化且显示出低的钝化电流密度，意味着该体系合金具有良好的耐蚀性能。Nb的添加进一步显著提高了合金的抗点蚀能力。离子溶出实验表明，Nb的添加显著降低了大块非晶合金离子的析出，尤其是毒性较强的Ni,Cu离子，这可能是由于Nb促进了高保护性钝化膜的快速形成。考虑到Ni对人体具有毒副作用，利用Pd,Fe等无毒元素替换Zr65Nb5Cu17.5Al7.5Ni10大块非晶合金中的Ni开发出了大块非晶合金Zr60Nb5Cu17.5Ni5Pd5Al7.5（样品A）和两种无镍型大块非晶合金Zr60Nb5Cu22.5Pd5Al7.5（样品B）

3、和Zr60Nb5Cu20Fe5Al10（样品C）。热学性能测试表明该体系非晶合金具有高的热稳定性，样品A和样品C的过冷液相区ΔTx分别高达108℃和99℃。晶化行为研究表明，三种合金在退火过程中均优先析出二十面体准晶相。力学测试表明三种合金（样品A，B，C）都显示出高强度，分别达到1697MPa，1724MPa和1795MPa，以及高的塑性应变，分别达到13.2%，3.58%和9.5%。在模拟体液中的电化学测试表明，三种合金都显示出低的钝化电流密度以及高的点蚀电位，意味着合金具有优异的耐蚀性能。XPS分析表明，钝化膜中富集着高耐蚀的Zr，Nb，Al氧化物可

4、能是合金具有优异耐蚀性的主要原因。细胞毒性试验表明，两种无镍型Zr基大块非晶合金表面上的细胞具有与Ti-6Al-4V合金相似甚至更高的吸光度。SEM观察发现，细胞非常饱满，能够较好地贴附且呈椭圆形铺展在合金表面上，这表明这两种无镍型Zr基代大块非晶合金均具有优异的生物相容性。进一步的XPS分析发现细胞培养后的大块非晶合金表面形成了富Zr和Nb等高生物活性的氧化物，这可能是其具有低的细胞毒性的主要原因。关键词：大块非晶合金热稳定性晶化行为力学性能二十面体准晶电化学腐蚀性能细胞毒性生物相容性IAbstractInthisdissertation,differe

5、ntZr-basedbulkmetallicglasseswerepreparedbycoppermoldcasting.theirstructurewascharacterizedbyX-raydiffraction(XRD).Thermalresponsewasinvestigatedusingdifferentialscanningcalorimetry(DSC)anddifferentialthermalanalysis(DTA).Instronmechanicaltestingsystemwasemployedtoevaluatetheirmec

6、hanicalproperties.Thecorrosionbehaviorofthealloysobtainedwasinvestigatedinartificialbodyfluidbyelectrochemicalmeasurements.metalionreleaseofdifferentBMGsweredeterminedinPPb(ng/ml)levelwithinductivelycoupledplasmamassspectrometry(ICP-MS)afterbeingimmersedinartificialbodyfluidat37℃f

7、or20days.ThepotentialcytotoxicityoftheBMGwasevaluatedthroughcellcultureforoneweekfollowedby3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl-)-2,5-diphenyltetrazo-liumbromide(MTT)assay.Thefracturesurface,themorphologiesofthesamplesaftercorrosion,andthecellmorphologiesaftercellculturewereinvestigatedusi

8、ngScanningelectronmicroscopy(SEM)