生物可降解MgZnNd合金性能研究及应用探索

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生物材料未来一个重要发展方向是对在人体内可降解金属材料的研究。镁合金作为一种新型的医用金属材料,与传统的惰性不可降解金属植入材料相比,除了在复杂的人体环境中可以发生降解这一独特的优势外,还具有良好的生物相容性、优异的综合力学性能等特点,这使得镁合金成为了“新一代革命性金属材料”,目前主要应用于心血管支架和骨组织修复等领域。本文通过采用合金化的方法添加Zn和Nd元素制备了两种Mg-Zn-Nd合金,即:Mg-2Nd-0.2Zn(NZ20)和Mg-2Zn-0.5Nd(ZN20)。研究了铸态经过挤压变形后及其时效热处理后对合金微观结构、力学性能及降解性能的影响,通过多道次拉拔制得镁合金丝材,并探索其可能的临床应用。  对铸态合金微观组织分析结果表明,NZ20合金晶粒较小,ZN20合金晶粒粗大,合金元素在基体中以第二相的形式存在,NZ20中的第二相Mg41Nd5主要分布在晶界附近,ZN20中的第二相MgZn2主要在晶界。由于铸造合金的力学性能不够理想,限制了镁合金的应用范围,而塑性变形可以大幅提高镁合金的综合力学性能,因此采用挤压的方法对铸态合金进一步加工。合金在挤压过程中发生了动态再结晶,晶粒尺寸显著细化,第二相在固溶处理时发生分解,挤压态NZ20中第二相主要以Mg12Nd形式存在;ZN20中的第二相主要由MgZn2组成,含有极少量的Mg12Nd。力学性能测试结果表明,NZ20延伸率为35.1%,抗拉强度为200MPa; ZN20延伸率23.5%,抗拉强度235MPa。在降解性能方面,ZN20合金的耐蚀性优于NZ20合金,这主要因为NZ20合金中存在较多的第二相,电偶腐蚀加剧。采用多道次拉拔与中间退火相结合的工艺,制得直径为0.3mm的丝材,其晶粒尺寸相比挤压态进一步细化,同时抗拉强度也得到提高,但延伸率大幅降低,这主要是由于细晶强化及第二相作为缺陷的双重作用。  为了更深层次研究第二相对挤压态棒材性能的影响,对两种合金进行不同温度的时效处理,研究结果表明,NZ20合金在170℃时效后的综合力学力学性能最优,耐蚀性也有所改善;ZN20合金在200℃时效后获得优异的综合力学性能,同时其耐蚀性得到提高。  体外细胞实验表明,NZ20和ZN20两种合金对成纤维细胞和软骨细胞的增殖、凋亡和粘附均无毒性作用,表现出良好的生物相容性。NZ20合金丝材动物体内植入实验结果表明,它在耳再造手术用于软骨连接方面有很好的应用前景。
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