可降解β-TCP/Zn-Mg复合材料制备、显微组织及性能研究

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由于锌及其合金具有适宜的腐蚀降解速率,而且锌元素是人体的必需微量元素之一,近年来生物可降解锌合金在骨螺钉和心血管支架等生物材料方面的应用研究引起了人们的广泛关注。然而,纯锌力学性能太差,远远不能满足临床要求。为了改善纯锌的力学性能和生物相容性,采用合金化手段结合合适的加工变形工艺是改善力学性能和生物相容性的有效途径。此外,通过加入具有良好生物相容性的陶瓷颗粒制备锌基复合材料,不仅可以改善力学性能,还可以提高生物活性。本文以Zn-1wt.%Mg合金为基体,β-TCP陶瓷颗粒作为增强体,通过熔炼制备方法和粉末冶金方法制备了Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP(n=0,1,3,5)复合材料。分别研究了这两种方法制备的复合材料的显微组织、力学性能、腐蚀降解行为以及生物相容性,并探讨了β-TCP陶瓷颗粒含量对Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP(n=0,1,3,5)复合材料各方面性能的影响。得到如下结论:(1)通过熔炼铸造方法制备的Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP(n=0,1,3,5)复合材料物相主要以Zn基体为主,第二相主要为沿晶界分布的Mg2Zn11相;β-TCP有细化晶粒的作用,随着β-TCP含量增大,复合材料晶粒尺寸逐渐变小,然而β-TCP团聚现象越明显,热挤压变形后,晶粒得到细化,β-TCP陶瓷颗粒的团聚现象也得到缓解;随着β-TCP含量增大,力学性能先得到改善后又降低,结果显示Zn-1Mg-1vol.%β-TCP复合材料的具有良好的综合力学性能,其最大抗拉强度为330.5 MPa,屈服强度为250.8 MPa,延伸率为11.7%。(2)对Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP(n=0,1,3,5)复合材料进行电化学和体外浸泡失重方法测得的腐蚀降解速率变化趋势一致,即增加β-TCP的含量能够降低复合材料的耐蚀性,加快其腐蚀降解速率,表明所制备的材料具有较适宜的腐蚀降解速率。(3)通过粉末冶金方法制备出的生物可降解Zn-1Mg-nvol.%β-TCP(n=1,3)复合材料中的β-TCP能能够均匀的弥散分布在锌镁基体中,但是界面结合较差,与熔炼制备的复合材料相比,粉末冶金法制备的复合材料致密度较低,导致其力学性能也较差,Zn-1Mg-3vol.%β-TCP复合材料的最大抗压强度和压缩屈服强度分别为108.9 MPa和99.1 MPa。(4)利用电化学方法和体外浸泡失重方法对通过粉末冶金方法制备的Zn-1wt.%Mg-nvol.%β-TCP(n=1,3)复合材料耐蚀性能测试分析,结果表明,随着β-TCP的含量增加,耐蚀性降低,而且致密度降低在一定程度上可以加速腐蚀。(5)通过体外细胞毒性实验与SD大鼠体内植入实验发现,与Zn-1Mg合金相比,Zn-1Mg-nvol.%β-TCP(n=1,3)复合材料具有更好的生物安全性、生物相容性及生物活性。
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