反挤压生物可降解Zn-Mg基锌合金的力学性能及耐蚀性研究

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金属基生物可降解材料由于具有优异的力学性能、良好的加工性能而受到大家的关注,目前研究较多的主要为镁合金和铁基合金。但镁合金的降解速度过快,铁基合金的降解速度过慢,成为两种金属材料应用于医用植入器件的瓶颈。锌及锌合金的标准电化学电位介于二者之间,有望成为新型的可降解生物材料,引起了一些研究者的关注。但是针对生物Zn合金的设计目前并没有很大的进展,已有的主要是铸态Zn-1.5Mg生物锌合金,其力学性能并不能满足要求。因此,本研究利用反向热挤压成形工艺,通过其组织、力学及耐蚀性能研究,优化Zn-Mg二元锌合金成分;并在上述基础上,进一步添加Ag元素后,研究其组织与力学性能,生物相容性及在模拟体液中的耐蚀性能,从而为新型可降解Zn合金的设计、制备提供有价值的基础的数据。Zn-(0~1.0wt.%)Mg二元合金在200℃进行了反挤压,合金都发生了完全的动态再结晶。随着镁含量的增加,合金中第二相Mg2Zn11含量逐渐增加;合金的平均晶粒尺寸逐渐减小,最小达到20μm以下;合金的强度也逐渐增大,屈服强度和抗拉强度分别由纯Zn的66MPa和110MPa提高到Zn-1Mg合金的260MPa和320MPa;合金的延伸率则是先增大后减小。Zn-0.05Mg合金具有良好的强度与塑性,以及拉压各向同性。在Zn-0.05Mg合金的基础上添加少量的Ag之后合金中第二相仍然主要是Mg2Zn11,且合金的晶粒尺寸略有增大,合金的强度略有提高,但使合金的延伸率降低。此外还对其生物性能进行了研究,结果表明,纯Zn及Zn-Mg基锌合金无致热性,不会导致急性毒性反应,具有良好的抗溶血性能,表现出良好的生物相容性。采用极化曲线和浸泡失重法对纯Zn、Zn-0.05Mg、Zn-0.05Mg-0.5Ag和Zn-0.05Mg-1Ag的腐蚀性能进行了研究。合金元素Mg、Ag的添加使合金出现点蚀倾向,自腐蚀电位左移0.1V左右,自腐蚀电流密度较纯Zn均有不同程度降低,且Zn-0.05Mg为最小达到22μA/cm2。浸泡初期合金的腐蚀速度均比纯Zn的小,后期腐蚀速率达到稳定之后纯Zn与合金的腐蚀速度非常接近,大约为3g/m2/d。在相同条件下测试结果表明,其比挤压态和固溶态的Mg合金的稳定腐蚀速率(约18g/m2/d)小一个数量级。其腐蚀产物分析主要为(Zn, Mg)等的碳酸盐和磷酸盐。这意味着,锌及锌合金有可能成为新型的,具有合适降解速率的金属基生物材料。
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