镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究.doc
- 文档编号:8856423
- 上传时间:2023-05-15
- 格式:DOC
- 页数:82
- 大小:16.34MB
镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究.doc
《镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《镁基金属复合生物材料的制备及其性能研究.doc(82页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
论文题目镁基金属复合生物材料的制备
及其性能研究
硕士学位论文摘要
摘要
镁及镁合金因与自然骨的力学性能相近且具有良好的生物相溶性,作为可降解的骨植入材料受到很大的关注。
但是,镁合金易发生电化学腐蚀,过快的腐蚀速率易导致植入失败。
通过调整材料成分、组织结构,采用新的材料制备技术及表面处理等方法制备新的镁合金或镁基复合材料降低材料的腐蚀速率是当今生物材料研究的热点。
本研究选用纯镁为基体材料,以镁的氧化物(MgO陶瓷粉末)或将20.21wt%ZnO或20.21wt%ZnO与10wt%HA的混合粉末作为增强相添加添加到镁基体中,采用粉末冶金的方法,制备了三种镁基金属复合材料,即:
不同MgO含量的MgO/Mg复合材料,或通过原位生成MgO和Mg-Zn合金,制备的MgO/Mg-Zn/Mg复合材料或MgO/Mg-Zn/HA/Mg复合材料。
最后采用阳极氧化法和阳极氧化-聚乳酸涂覆的方法在复合材料的表面分别制备了MgO涂层和PLA/MgO复合涂层。
对复合材料的力学性能(主要包括表面硬度和抗拉强度)进行了测试。
通过浸泡法(包括pH值测量法和失重法)和电化学方法(动电位扫描法和交流阻抗法),研究复合材料和涂层在人工模拟体液(SBF液)中的腐蚀速率及腐蚀行为。
运用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)等先进设备对复合材料抛光表面、腐蚀表面、腐蚀产物和涂层的物相、成分和形貌进行表征。
主要研究结果如下:
1)采用粉末冶金的方法制备了第二相含量精确,分布均匀的MgO/Mg镁基金属复合材料。
模拟体液中的浸泡实验和电化学实验的结果一致表明,复合材料与纯镁金属有类似的腐蚀行为;相对于纯镁金属,复合材料中的MgO在镁基体中的均匀、连续分布,可以提高镁基金属复合材料整体的耐腐蚀性能,且随着MgO的含量的增加,复合材料的腐蚀降解速率减小;然而,MgO/Mg复合材料的耐蚀性能的提高部分牺牲了力学性能。
复合材料的力学性能随着MgO的含量的增加呈减小趋势。
2)采用粉末冶金的方法,通过原位反应机理制备了MgO/Mg-Zn/Mg和MgO/Mg-Zn/HA/Mg镁基金属复合材料。
XRD和SEM结果显示,均匀分布于镁基体颗粒间的为MgO与Mg-Zn金属间化合物的混合组织或MgO与Mg-Zn金属间化合物和HA的复合组织。
模拟体液中的浸泡实验和电化学实验分析结果一致表明,MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料与纯镁有类似的腐蚀行为,相对于MgO/Mg复合材料,MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg镁基金属复合材料呈现出更好的耐腐蚀性能;力学性能研究表明,MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的力学性能有显著的提高;HA在复合材料中的存在,能提高材料的力学性能,但对提高复合材料的耐蚀性贡献不大。
3)以MgO/Mg-Zn/Mg复合材料为基底,在不同的阳极电位下制备了不同厚度的Mg(OH)2涂层,其中0.2V的电位下制备的涂层最致密,但厚度难以提高。
致密的Mg(OH)2涂层经450℃煅烧后得到多裂纹的MgO涂层,再经聚乳酸PLA溶液的涂布后,不仅可以起到封孔的作用,还能在MgO涂层的表面覆盖一层新的PLA高分子涂层,得到PLA/MgO复合涂层。
动电位扫描和交流阻抗的结果表明,多裂纹的MgO涂层可以对基底材料起到一定的保护作用,但经PLA高分涂覆后,可以更有效地阻止介质与基底接触,从而进一步提高材料的耐蚀性能。
关键词镁基金属复合材料,生物降解,耐蚀性,粉末冶金,阳极氧化
II
硕士学位论文ABSTRACT
ABSTRACT
Magnesiumanditsalloysareattractingmoreandmoreattentionsasimplantmaterialsforitsrelativeclosemechanicalpropertiestonaturalboneandgoodbiocompatibility.Unfortunately,magnesiumalloysdegradetoofastduetothepositiveactivitiesinchemistry,whichmaycausetheimplantationfailed.Therefore,thestudyondecreasingthecorrosionrateofMgalloysandMg-basedcompositesthroughadjustingthecomponentsandstructureofthematerialsand/oradoptingnewfabricationtechnologyandsurfacemodificationbecomesahotspot.
InthisstudythreekindsofMg-basedmetalmatrixcomposites(MgO/Mg,MgO/Mg-Zn/MgandMgO/Mg-Zn/HA/Mg)werepreparedbypowdermetallurgy,wherein,puremagnesium,amacro-elementofhumanbody,wasusedasmatrixandMgOpowderor20.21wt%ZnOorapowdermixtureof20.21wt%ZnOand10wt%HAastheaddition.MgOcoatingandMgO/PLAcomplexcoatingwerefabricatedonMgO/Mg-Zn/Mgcompositesurface,respectively,byusingAnodicOxidationandcombinedAnodicOxidationanddipcoatingofPLAprocess.
Themechanicalpropertiesofthecomposites,i.e.thetensilestrengthandhardnessofthecompositeweretested.Thecorrosionpropertiesofthecompositeswithandwithoutcoatingswerestudiedinsimulatedbodyfluid(SBF)byimmersiontest(weightlosstestandpHvaluemeasurement)andelectrochemicalmeasurementsincludingpotentiodynamicpolarizationandelectrochemicalimpedancespectra(EIS).Thephasesandthemorphologyofthepolished,corrosionproductandthecoatingofthespecimenswereanalyzedbymeansofX-raydiffraction(XRD)andScanningelectronmicroscope(SEM)equippedwithEDX,respectively.Theresultsaresummarizedasfollows:
1)MgO/Mgcompositematerialscontaining5wt%,10wt%and20wt%MgOasreinforcementphasewerefabricatedbypowdermetallurgy.TheresultsofSEMofthesefourcompositesshowthatMgOphasesevenlydistributeinMgmatrix.TheresultsofimmersiontestsandelectrochemicalmeasurementinSBFshowthatMgO/MgcompositematerialshavesimilarcorrosionmechanismaspureMgmetalandthedistributionofMgOinMgmatrixplaysanimportantroleintheimprovementofcorrosionresistanceofcompositematerials.ThecorrosionresistanceincreaseswiththeincreaseofMgOaddition.TheMgO/Mgcompositematerialwith20wt%MgOexhibitsthebestenhancedcorrosionresistance.However,themechanicalpropertiesofMgO/MgcompositedeterioratewiththeincreaseintheamountofMgO.
2)MgO/Mg-Zn/MgcompositeandMgO/Mg-Zn/HA/MgcompositereinforcedwithMgOceramicsandMg-ZnintermetallicsandwithMgOceramics,Mg-ZnintermetallicsandHAceramics,respectively,werefabricatedusingpuremagnesiumpowderand20.2wt%ZnOpowderbypowdermetallurgy.TheresultsofXRDandSEMindicatethatcompoundofMgOandMg-ZnorcompoundofMgO,Mg-ZnandHAuniformlyandconsecutivelydispersedinMgmatrix.TheresultsofimmersiontestsandelectrochemicalmeasurementsinSBFareconsistent,indicatingthatthecorrosionmechanismofthecompositeisthesameasthatofpureMg,andcomparedwithpureMg,theuniformlyandconsecutivelydistributedcompoundinMgmatrix,togetherwiththeadditionofZnelementgreatlycontributetotheimprovementofcorrosionresistanceandmechanicalpropertiesofthecomposite.Meanwhile,mechanicalpropertiesofthecompositeswereclosetothoseofnaturalbone.TheresearchalsoindicatesthattheexistenceofHAinmatrixwashelpfultotheenhancementofmechanicalpropertieswhiledolittletocorrosionresistance.
3)Theas-grownMg(OH)2coatingonthesurfaceofMgO/Mg-Zn/Mgcompositewasdepositedunderfouranodicvoltages.Theresultsshowthatthecoatingdepositedat0.2Vwasthemostcompact,whereasitsthicknesscanhardlyincrease.Afterheat-treatedunder450℃,thecompactcoatingwasconvertedtomulti-crackedMgO.ComplexcoatingofMgOandPLAoncompositesurfacewaspreparedbydippingthecompositesubstratewithMgOcoatingintoPLAsolution.ThePLAnotonlyfunctionsasasealant,butalsoasanewPLAmacromoleculecoveronthesurfaceofMgO.TheelectrochemicalmeasurementresultsofcompositewithMgOcoatingandMgO+PLAcomplex-coatingdisclosethatporousMgOcoatingcanslightlyprotectthesubstratewhilethecomplex-coatingcouldsignificantlyimprovethecorrosionresistantofthecomposite.
KEYWORDSMg-basedmetalmatrixcomposite,bio-degradable,corrosionresistance,powdermetallurgy,anodicelectro-deposition
VIII
硕士学位论文目录
目录
摘要 I
ABSTRACT III
目录 VI
符号、图形符号说明 IX
第一章绪论 1
1.1生物材料及其发展现状与趋势 1
1.1.1生物材料概述 1
1.1.2生物材料的现状 2
1.1.3生物材料发展趋势 3
1.2镁及其相关材料概况 3
1.2.1纯镁及镁合金的临床实验 3
1.2.2镁基复合材料及其研究现状 5
1.3镁元素及合金元素对人体的意义 7
1.3.1镁元素对人体的意义 7
1.3.2锌元素对人体的意义 8
1.3.3合金元素对人体的意义 8
1.4提高镁及其相关材料耐蚀性能的方法 9
1.5本研究的选题思路、目的与意义 12
1.5.1本研究的选题思路 12
1.5.2材料设计原理 13
1.5.3本研究的目的 14
1.5.4拟开展的研究内容 15
1.5.5本研究的意义 15
第二章实验过程 16
2.1研究方案 16
2.2实验材料、试剂、仪器及设备 17
2.3材料极样品的制备 19
2.3.1HA的制备 19
2.3.2镁基MMC的制备 20
2.3.3材料预处理 22
2.3.4涂层的制备 22
2.4实验方法 23
2.4.1力学性能的研究 23
2.4.2失重腐蚀 23
2.4.3电化学实验 24
2.4.4涂层的腐蚀性能测试 24
2.5元素、相成分及形貌分析 24
第三章MgO/Mg复合材料的性能研究 25
3.1MgO/Mg复合材料的显微组织 25
3.2MgO/Mg复合材料的力学测试 27
3.3MgO/Mg复合材料的浸泡实验 28
3.4MgO/Mg复合材料的电化学腐蚀 30
3.5MgO/Mg复合材料在SBF溶液中腐蚀机理 32
3.5.1基相(纯镁)的腐蚀机理 32
3.5.2第二相的作用 35
3.6性能综合分析 37
3.7本章小结 38
第四章MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的性能研究 39
4.1HA与MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的表征 39
4.1.1HA的表征 39
4.1.2MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的表征 40
4.2MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的力学性能测试 42
4.3Mg-ZnO的原位反应机理 43
4.3.1化学反应 43
4.3.2反应原理 44
4.4MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的浸泡实验 46
4.5MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料的电化学腐蚀 48
4.6MgO/Mg-Zn(/HA)/Mg复合材料在SBF溶液中腐蚀机理 50
4.7性能综合分析 51
4.8本章小结 52
第五章MgO/Mg-Zn/Mg复合材料的涂层制备及其耐蚀性研究 54
5.1镁合金在碱液中的阳极极化行为 54
5.2阳极氧化涂层与PLA/MgO复合涂层的成分及形貌表征 56
5.2.1煅烧前的阳极氧化膜的表征 56
5.2.2煅烧后的阳极氧化膜的表征 58
5.2.3PLA/MgO复合涂层的表征 60
5.3涂层在SBF中的电化学腐蚀研究 60
5.4涂层SBF中对基底材料的保护机理 62
5.5性能综合分析 62
5.6本章小结 63
第六章结论 64
参考文献 65
致谢 72
攻读学位期间主要的研究成果 73
硕士学位论文符号、图形符号说明
符号、图形符号说明
原材料,样品名称
状态参量,工艺参数
操作方法,处理过程,分析方法
工艺组合
优化过程、优化结果
判断,工艺选择,流程选择
材料添加方向,工艺流向,研究顺序
CRCorrosionRate的缩写,表示用样品失去的质量来表征的样品的腐蚀速率
Δm浸泡实验中腐蚀失去的质量
A用于浸泡实验的样品的初始表面积
t浸泡实验的浸泡时间
T时间
j0在电极/溶液界面上的交换电流密度
n电极过程中的转移电荷数
F法拉第常数
Rt电荷转移电阻
D烧结过程中原子扩散系数,单位为㎡/s
IX
硕士学位论文第一章绪论
第一章绪论
1.1生物材料及其发展现状与趋势
1.1.1生物材料概述
生物医用材料(biomedicalmaterial)简称生物材料,是指以医疗为目的,用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料[1]。
生物材料是研究人工器官和制备医疗器械的基础,涉及材料、医学、物理、生物化学及电子计算机等诸多学科领域,它随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,己逐渐成为各国科学家竞相研究和开发的热点。
由于生物材料主要直接作用在人体上,对其性能要求十分严格。
因此生物材料必须具备以下五个特性[2]:
1)生物功能性。
因各种生物材料的用途而异,如:
作为缓释药物时,药物的缓释性能就是其生物功能性。
2)生物相容性。
可概括为材料和活体之间的相互关系,主要包括血液相容性、组织相容性(无毒性、无致癌性、无热原反应、无免疫排斥反应等)。
生物相容性是生物医用材料极其重要的性能,是区别于其它材料的标志,是生物医用材料能否安全使用的关键性能。
3)化学稳定性。
耐生物老化性(特别稳定)或可生物降解性(可控降解)。
4)人体组织的生物力学性能,人体各组织以及器官间存在多种相互作用,植入生物体内的材料要满足力学性能要求。
5)可加工性。
如易成型、消毒(紫外灭菌、高压煮沸、环氧乙烷气体消毒、酒精消毒等)。
生物材料根据材料属性大致可以分为以下四类:
1)生物金属材料[3]。
生物金属材料是金属或合金,是当前临床应用最广泛的承力材料之一,具有很高的机械强度和抗疲劳特性。
如人体植入材料的钴合金、钛合金(Ti-6Al-4V)和不锈钢,它们广泛应用于人工假体、人工关节、医疗器械、内固定材料等。
2)生物高分子材料[4]。
生物高分子材料又可以分为天然的(如多糖类、蛋白类)和合成的(如聚四氟乙烯、聚氨酯、聚乳酸、聚乙烯,聚甲基丙烯酸系列等)两种,其中合成高分子医用材料发展得最快。
通过分子设计,可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的合成生物高分子材料。
生物高分子材料中的软性材料常用来制作人体软组织如血管、食道和指关节等的代用品;合成的硬性材料可以用作人工硬脑膜、笼架球形的人工心脏瓣膜的球形阀等;液态的合成材料如室温硫化硅橡胶可以用来作注入式组织修补材料。
3)生物无机非金属材料或生物陶瓷[5]。
这类生物材料化学性质很稳定,且具有良好的生物相容性。
根据在生物机体中引起的组织反应和材料反应,可将生物陶瓷分为两类:
第一类是惰性生物陶瓷(如氧化铝、医用碳素材料等),这类材料具有较高的强度,良好的耐磨性;第二类是生物活性陶瓷(如羟基磷灰石和生物活性玻璃等),这类材料具有能在生理环境中逐步降解和吸收,或与生物机体形成稳定的化学键结合的特性,因而具有极为广阔的发展前景。
4)生物复合材料[6]。
生物复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物材料,主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。
各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
比如钴合金-聚乙烯复合材料可用作从工关节;再如碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头;又如高分子材料与生物高分子(如酶、抗源、抗体和激素等)结合可以作为生物传感器。
1.1.2生物材料的现状
到目前为止,被详细研究过的生物材料已有1000多种,在医学临床上广泛使用的也有几十种[7],如医用惰性材料主要有钛合金、钴铬钼合金、不锈钢等,高分子材料主要有硅胶、聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙丙交酯(PGLA)、聚左旋乳酸(PLLA)、聚己内酯(PCL)、聚羟基丁酸戊酯(PHBV)等。
几种在临床上广泛使用的植入材料的物理力学性能见表1-1。
当前生物医学材料
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基金 复合 生物 材料 制备 及其 性能 研究