【摘 要】
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服役于人体生理环境中的植入金属材料往往由于腐蚀、磨损等作用而产生金属离子释放。某些适量释放的金属离子虽然在促进组织再生等方面发挥积极作用,但不可否认,过量的离子积累将对人体产生毒副作用,进而直接影响材料的生物相容性。通常,植入金属离子释放行为与材料的耐蚀能力息息相关,而作为评价植入金属材料耐蚀性的通用、实用手段,腐蚀电化学测试技术已广泛应用。因此,探究模拟人体环境中金属离子释放的动力学过程,阐述离
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服役于人体生理环境中的植入金属材料往往由于腐蚀、磨损等作用而产生金属离子释放。某些适量释放的金属离子虽然在促进组织再生等方面发挥积极作用,但不可否认,过量的离子积累将对人体产生毒副作用,进而直接影响材料的生物相容性。通常,植入金属离子释放行为与材料的耐蚀能力息息相关,而作为评价植入金属材料耐蚀性的通用、实用手段,腐蚀电化学测试技术已广泛应用。因此,探究模拟人体环境中金属离子释放的动力学过程,阐述离子释放动力学特征,揭示离子释放与电化学响应之间的关联性,对理解植入金属材料的腐蚀行为,实现金属离子释放可控化,推动医用金属材料的深入发展具有重要的指导意义。传统的医用金属植入支架材料,如316L不锈钢和钴铬合金等会在长期的服役过程中释放出Ni2+、Cr6+、Co2+等毒性离子,存在一定生物安全隐患,更重要的是,这类材料磁化率较高,磁共振成像时产生的严重伪影将误导最终诊断。相比较而言,Nb-60Ta-2Zr合金(质量百分数wt.%)因具有低磁化率、磁共振成像兼容性良好,同时兼具优异的生物相容性、耐蚀性及力学性能等突出特性,已成为一种极具潜力的适用于磁共振成像的植入支架候选材料。因此,本工作以Nb-60Ta-2Zr合金为研究对象,并与纯Nb、纯Ta和纯Ti进行对比,研究其在模拟人体生理环境中的金属离子释放行为、揭示离子释放的动力学特征,并厘清离子释放与电化学响应之间的关联关系。取得的主要结论如下:(一)阐明了 Nb-60Ta-2Zr合金在模拟人体生理环境中的离子释放行为及释放动力学特征。结果表明,Nb-60Ta-2Zr合金的离子释放动力学过程分为两个阶段。第Ⅰ阶段,离子释放速率随浸泡时间以指数形式显著衰减;第Ⅱ阶段,离子释放基本达到动态稳定。整个离子释放行为遵循动力学方程通式Ci=α·[1-exp(-τ/b)]+c·τ,且该动力学方程对于描述其它植入金属材料的离子释放行为具有一定的普适性。此外,ICP-MS测试结果表明,Nb-60Ta-2Zr合金的离子释放总量与纯Ta的离子释放量相当,但比纯Nb和纯Ti的离子释放量低一个数量级。并且归一化结果显示,相比于纯Nb而言,Nb-60Ta-2Zr合金中Ta元素的加入显著减缓了合金中Nb离子释放。(二)Nb-60Ta-2Zr合金在模拟人体生理环境中浸泡21天后,XPS结果表明,表面钝化膜的主要成分为完全氧化物Nb2O5和Ta2O5,且含有少量的ZrO2以及Nb的次生氧化物和Ta的次生氧化物。Nb和Ta在合金表面钝化膜中的相对含量与其在合金中的名义成分接近,并且浸泡21天后各元素离子释放量占合金总释放量的百分比也趋近于相应的合金名义成分,表明该合金各组元之间在长期浸泡后不存在明显的选择性氧化或溶解现象。(三)厘清了 Nb-60Ta-2Zr合金、纯Nb、纯Ta和纯Ti的离子释放与电化学腐蚀行为之间的关联性。对于耐蚀性较好的Nb-60Ta-2Zr合金和纯Nb、纯Ta、纯Ti这几种阀金属材料而言,在模拟人体生理溶液中浸泡1天后它们的腐蚀电流密度无明显差异,而Nb-60Ta-2Zr合金和纯Ta的离子释放速率比纯Nb和纯Ti低一个数量级。并且Nb-60Ta-2Zr合金的腐蚀电流密度随浸泡时间变化不显著,而离子释放行为却呈现出两个阶段特征。因此,在本工作研究条件下腐蚀电流密度与离子释放行为间无明确关联关系。同样,Nb-60Ta-2Zr合金和纯Nb、纯Ta、纯Ti的开路电位与离子释放行为之间也无明显关联性。另外,Nb-60Ta-2Zr合金的钝化膜电阻随浸泡时间延长而增加,钝化膜电阻大小与离子释放行为呈反对应关系,四种材料间钝化膜电阻大小的排序与离子释放量多少的排序相反。
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