医用镁合金微弧氧化及其在模拟人体环境下的磨损行为

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医用镁合金植入人体后腐蚀降解太快及磨损率较高等因素严重制约着其在临床的广泛应用。本文首先通过微弧氧化技术成功地在医用镁合金表面制备一层生物安全的陶瓷膜,提高其耐蚀性和耐磨性。其次为了更真实的模拟短期植入的微弧氧化镁合金在体内的腐蚀情况及运动状态下的摩擦磨损情况,本文采用浸泡实验研究微弧氧化镁合金在37℃流动模拟体液Hank’s中的腐蚀性能;再次采用万能摩擦磨损试验机研究浸泡不同时间的微弧氧化镁合金在不同工况(载荷、转速、磨损时间)下流动模拟体液中的摩擦磨损性能。首先向基础电解液体系Na2SiO3-KOH中加入不同含量的Na2B4O7,采用恒流法在电流密度4A/dmm2,频率800Hz,占空比10%,镟化时间12min的电参数下制备一层生物安全的陶瓷膜。以微弧氧化膜的厚度、耐蚀性、耐磨性为技术指标,筛选出耐蚀性、耐磨性均良好的电解液体系,然后对膜层的结构和性能进行检测。采用SFM、FDS、XRD手段对微弧氧化膜的微观形貌、化学成分和相组成进行分析。SEM照片显示,微弧氧化膜具有双层结构:外部疏松层和内部致密层。疏松层呈现多孔结构,缺陷较多,而致密层孔洞较少,与基体呈弧形紧密衔接。EDS能谱显示,膜层表面主要含有B、Si、O、Mg元素。XRD谱图结果显示,微弧氧化膜表面主要由Mg、SiO2、MgSiO3、Mg3Si2O5(OH)4相构成。其次采用浸泡实验研究微弧氧化前后镁合金在37℃流动模拟体液中浸泡2天、5天、10天、17天的腐蚀行为,模拟体液的流速设定为2ml/min,与骨骼肌生理流速相同。通过失重法研究微弧氧化前后镁合金在不同浸泡时间段的腐蚀速率。采用SEM、EDS、XRD手段对浸泡不同时间段的微弧氧化镁合金的表面与截面进行微观形貌观察、元素成分与相组成分析。结果表明:微弧氧化处理后的镁合金试样在不同浸泡时间段的腐蚀速率均低于处理前的。EDS能谱显示,表面沉积的Ca、P元素含量随着浸泡时间的延长先增加后减少。XRD谱图结果显示,浸泡17天的微弧氧化镁合金主要由Mg、MgCO3、SiO2、MgSiO3、 Mg(OH)2相构成。没有检测出含钙磷的相,有可能是因为含钙磷的物质太少或钙磷物质以非晶态形式存在于膜层表面。最后采用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机研究不同载荷、转速、磨损时间下浸泡2天、5天、10天、17天的微弧氧化镁合金在流动模拟体液中的摩擦磨损性能。通过对比相同浸泡时间的微弧氧化镁合金分别在不同载荷、转速、磨损时间下的摩擦系数和磨损量,研究其磨损规律。采用SEM、EDS检测不同载荷、转速、磨损时间下的磨痕形貌及元素成分,研究其磨损机理。结果表明:浸泡不同时间的微弧氧化镁合金的摩擦系数随着载荷的增加逐渐升高;随着转速的增加逐渐降低;随着磨损时间的延长先升高后降低。浸泡不同时间微弧氧化镁合金的磨损量随着载荷的增加逐渐增加;随着转速的增加逐渐增加;随着磨损时间的延长逐渐增加。浸泡后的微弧氧化镁合金在流动模拟体液中的磨损机制主要为粘着磨损、腐蚀磨损、剥层磨损,并伴有少量的磨粒磨损。
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