Mg-Er基合金显微组织对其力学性能和生物降解行为的影响

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1、哈尔滨工程大学攻读硕（博）士学位研究生论文开题报告专业材料科学与工程学号S312100007姓名徐驰指导教师张密林1.课题研究的目的和意义目前，广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及钛合金、不锈钢及聚乳酸等。但是，这些材料都存在一定的局限性。钛及钛合金、不锈钢等金属材料会发生应力遮挡效应，即将金属材料植入人体后，因其与人骨材料的弹性模量不匹配产生的人骨受力被遮挡效应[1]，会使骨骼强度降低、愈合迟缓。而聚乳酸等高分子材料力学性能差，很难承受较大的负重。因此，需要发展新的骨固定材料，即既要有类似于人骨的力学性能，又要有良

2、好的生物相容性，并且不产生毒性。表1几种植入材料在物理力学性能方面同人骨的对比[2]材料密度(g·cm-3)弹性模量(GPa)屈服强度(MPa)断裂韧性(MPa·m-1/2)人骨1.8-2.13-20130-1803-6纯Mg1.74-2.041-4565-10015-40Ti合金4.4-4.5110-117758-111755-115Co-Cr合金8.3-9.2230450-1000-不锈钢7.9-8.1189-205170-310600羟基磷灰石3.173-11750-2000.7研究表明镁及镁合金有可能作为新的骨固定材

3、料，因为镁及镁合金有高的比强度和比刚度，纯镁的比强度为133GPa/(g·cm3)，而超高强度镁合金的比强度已可达到480GPa/(g·cm3)，比Ti6Al4V的比强度(260GPa/(g·cm3))高出近一倍[3]。镁及镁合金的杨氏模量约为45GPa，更接近人骨的弹性模量(20GPa)，能有效降低应力遮挡效应。镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨的密度(1.75g/cm3)接近，远低于Ti6Al4V的密度(4.47g/cm3)，符合理想接骨板的要求[4]。因而用镁及镁合金作为骨固定材料，能够在骨折愈合的初期提供稳

4、定的力学环境，逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激，从而加速愈合，防止局部骨质疏松和再骨折[5]。因此，镁及镁合金作为骨损伤后的固定材料，具有很多优于其他金属生物医用材料的性能。但动物试验研究结果表明，镁合金作为骨植入材料在动物体内仅存在较短时间(60~90d)就会降解消失，不能满足骨骼生长对力学性能的要求[6,7]。医用镁合金过快的腐蚀降解速度严重制约着其推广应用，是亟待解决的关键科学技术问题。(1)商用镁合金耐蚀性还不能满足可降解植入材料要求，镁合金过快的腐蚀速度导致析氢速度较大

5、。纯镁的析氢速度高达10mL/h或者40mL/(cm2·d)[8]，医用镁合金BioMag352(0.2%Zn-2.82%Nd-0.19%Ca-0.21%Y-0.33%Zr，质量分数)的析氢速度高可达2.5mL/h或10mL/(cm2·d)[9]，而人体吸收氢的容许度仅为2.25mL/(cm2·d)[8]。(2)镁合金过快的腐蚀速度同时导致溶液pH值的快速升高，对人体骨骼及组织生长产生潜在危害。在镁合金闭塞电池溶液中，pH值在极短时间内迅速增加到10.5以上，即镁合金腐蚀引起局部碱化速度加快。由于材料在使用环境中，pH值发生

6、变化，可能使人体产生异常反应。例如，可能导致人体组织中蛋白质达到等电点而发生蛋白质沉积和炎症，或出现溶血现象和局部溶骨现象[10]。(3)腐蚀过快还将使人体组织在未充分愈合之前植入体丧失机械整体性，从而引起力学性能(如抗拉强度、抗压屈服强度和疲劳强度)的迅速劣化。所以，改善镁合金在模拟体液中的腐蚀行为非常有必要。2．国内外在该方向的研究现状及分析早期的临床应用证实镁金属具有良好的生物相容性及应用于生物医用材料的可行性。据报道，镁能在体液中形成可溶的、无毒的氧化物，然后随尿液排出体外[11]。然而，镁合金的耐蚀性能较差，在Cl

7、−存在的腐蚀环境中或者当介质的pH值小于11.5时，其腐蚀尤为严重。作为生物植入材料，镁合金必须在服役期间严格满足必要的力学与形态学要求，因此，其腐蚀速率不宜过快。人体内环境的正常pH值在7.4左右，而且体液中存在大量的Cl−，加之人体内是一个复杂的腐蚀环境，这些都会造成镁合金在人体内的腐蚀速率的变化[12]。针对上述问题，ERINC等[13]提出可降解医用镁合金的标准为：在37℃模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/a，有效服役期90~180d；室温屈服强度大于200MPa，伸长率大于15%。平均腐蚀速度ν采用以下公式计算：

8、(1)m——质量损失，量纲为mg；ρ——金属密度，量纲为g/cm3；A——试样暴露在溶液中的面积，量纲为cm2；t——浸泡时间，量纲为h。当镁及其合金浸泡在含有水的腐蚀介质中时，腐蚀过程主要是金属与水的电化学反应，总的腐蚀反应方程式如下[14]：Mg+H2O→Mg(OH)2+H2↑(2)其