新型Mg-Zn-Nd生物可降解镁合金材料研究与器件结构设计

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nature_shcn
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目前,临床上使用的医用金属材料主要包括不锈钢、钛合金、钴基合金以及贵金属等惰性金属,由这些金属材料制成的医疗器件一旦植入体内,就将在人体环境中永久存在,并有可能因为异物反应对人体长期的刺激而诱发炎症、过敏等不良后果。镁合金除了具备金属材料机械性能好、易加工等特点外,还具有良好的生物相容性和在人体环境可降解的优势,这使镁合金作为可降解的医用金属材料具有良好的应用前景。本文通过选择具有显著固溶强化作用的Zn和能提高镁合金塑性的Nd作为合金元素,通过铸造和热挤压制备了不同Zn含量和Nd含量的Mg-Zn-Nd三元合金,研究了不同状态下Mg-Zn-Nd合金的微观结构、力学性能和降解性能。  研究了Zn和Nd含量对铸态Mg-0.5Nd-xZn(ZN系列合金)和Mg-2Nd-xZn(NZ系列合金)的微观组织的影响,发现合金元素Zn和Nd的含量对镁合金中第二相的种类及数量有显著影响,Zn元素可以细化铸态镁合金晶粒尺寸。在Nd元素含量较少的铸态Mg-0.5Nd-xZn合金中的第二相主要是Mg51Zn20,在Mg-2Nd-xZn中的第二相主要是由Mg,Zn、Nd三种元素形成的T相,第二相的含量随合金元素的含量增加而升高。合金经过挤压之后,晶粒尺寸显著细化,其中挤压态Mg-2Nd-xZn的晶粒尺寸明显小于挤压态Mg-0.5Nd-xZn的晶粒尺寸,体现了Nd元素有降低再结晶晶粒尺寸的作用。拉伸试验结果表明,ZN系列合金具有较高的强度与适中的塑形,而NZ系列合金则有较高的塑形与适中的强度。这反应了Zn元素的固溶强化作用以及Nd元素对于非基面滑移系的激活作用。ZN系列与NZ系列合金在Hanks溶液中的降解速率都随着Zn元素的升高而加快,这主要源自与Zn元素增加引起合金中第二相含量升高,导致电偶腐蚀加剧。  通过挤压-旋锻-拉拔的方式制备了Mg-Zn-Nd三元合金的丝材。丝材直径为0.3mm,丝材的晶粒尺寸相对于挤压态进一步细化,并因此产生晶界强化作用显著提高了镁丝的强度,同时因为第二相颗粒在丝材直径较小的情况下的发挥了类似于缺陷的作用,导致拉拔态的丝材的塑形相对于挤压变形态显著降低。镁合金丝材在Hanks溶液中的浸泡实验结果表明,丝材的降解以电偶腐蚀为主。镁合金丝材的抗张强度达到了可降解缝合线的强度要求,丝材打结后,抗张强度下降明显,下降幅度与丝材的塑性变形性能相关,即塑性越高,抗张强度降低幅度越小,塑性越低,抗张强度下降幅度越大。镁丝经过氟处理之后,耐腐蚀性能显著提升。  ZN20和NZ20镁合金表现出最佳的综合性能,MTT实验结果表明,ZN20和NZ20合金有良好的生物相容性。抗菌实验表明ZN20和NZ20合金丝材对金黄色葡萄球菌有很强的杀菌效果。NZ20丝材作为缝合线材料用于大鼠肌肉组织的缝合实验结果表明,NZ20丝材植入初期,植入周围组织有轻微的炎症反应,植入两周后炎性反应消失,肌肉组织愈合良好。由ZN20丝材制备的吻合钉变形性能优异,可实现肠道的吻合。  另外,本文通过有限元模拟实现了心血管支架结构的优化设计,提出了一种新型的渐变式心血管支架柱梁结构。这种新型的结构相对于传统结构在压握与扩张过程中变形更小,残余应力更低。增加支架圆周方向上的V型单元个数以及在支架压握过程中引入退火工艺也有助于降低支架应变与变形残余应力。这对于降低支架网丝断裂几率,提高支架服役时间有重大意义。通过实验对模拟结果进行了验证。
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