医用稀土镁合金强流脉冲电子束表面改性研究

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镁合金具有良好的生物相容性,被认为是下一代可生物降解的医疗植入物的有前途的候选材料。但是,过快的降解速度限制了其在生物材料中的应用。强流脉冲电子束(HCPEB)表面改性是近二十多年发展起来的一种表面改性技术,现有大量的研究表明该技术能够明显地提升多种材料的表面耐磨性和耐蚀性。同时氟化处理的生物材料能够表现出更好的生物相容性。因此为了进一步扩大镁合金的在生物学领域的应用前景,本研究采用强流脉冲电子束对WE43合金进行表面改性研究,以均匀化组织和改善其耐蚀性能。同时利用简单的化学转化技术,在改性后的表面利用氟离子进一步处理。通过透射电镜(TEM)分析了材料经过脉冲电子束改性过程时,重熔层中的物相变化。利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜及能谱分析(SEM&EDS)分析了重熔层和氟转化膜层的微观形貌、元素分布和物相组成。通过电化学工作站和浸泡实验分析了材料在模拟体液(SBF)、模拟体液+10%牛血清白蛋白(SBF+10wt.%BSA)和DMEM高糖培养基中的降解行为。结果表明,使用15次脉冲的强流脉冲电子束在样品表面成功地制备出了厚度为13.1μm且内部析出相分布均匀的重熔层。重熔层表面没有明显的杂质离子和组织缺陷。在模拟体液中的电化学测试表明,与基体样品(I=1.91×10-4 A·cm-2)相比,15脉冲样品的腐蚀电流密度(Icorr)(I=2.66×10-5 A?cm-2)降低了一个数量级,并且其极化电阻(Rp)提高了176.9%。浸泡实验表明,电子束改性后的镁合金在模拟体液(SBF)中的析氢含量明显要低于基体样品,同时p H值的上升幅度明显减小。通过对腐蚀形貌分析可知,经过改性后的样品主要发生全面腐蚀,而基体样品主要发生电化学腐蚀,这无疑加速了镁合金的腐蚀速率,这说明经过强流脉冲电子束处理后的样品表面能够有效提高镁合金的耐蚀性。当样品经过氟化处理后,通过电化学测试我们发现,氟化后的样品在模拟体液中的耐蚀性要明显高于未经氟化处理的样品。并且当模拟体液中含有蛋白质时,能够降低镁合金的腐蚀速率。在模拟体液中的浸泡实验表明,在浸泡初期氟化涂层能够有效地保护镁合金而不被溶液腐蚀,随着浸泡时间的延长,镁合金表面的腐蚀产物也能减缓镁合金被腐蚀的速率。在15脉冲样品表面氟化15天制备的膜层形貌与耐蚀性能最佳。XPS分析表明,氟化膜层的主要成分是Mg F2。综上所述,WE43镁合金经过强流脉冲电子束处理后,材料的腐蚀速率降低。同时,重熔层也有利于表面进行氟化处理,进一步提高镁合金的耐蚀性。
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