镁合金新用途探索

材料09-2班史广雨Mg及Mg合金在人体中的作用作为人体必需的微量元素之一的镁，对心脏血管具有重要的保护作用，有“心血管卫士”之称。人体如果缺镁，可导致心动过速、心律不齐及心肌坏死和钙化。因此，缺镁比高血压、高血脂对心脏更有危险性。功效1.促进心脏、血管的健康，预防心脏病发作；2.防止钙沉淀在组织和血管壁中，防止产生肾结石、胆结石；3.使牙齿更健康；4.能协助抵抗忧郁症，与钙并用，可作为天然的镇静剂。Mg合金作为骨折内固定材料的优势•1、Mg在人体中正常含量为25g，半数存在于骨骼中。Mg(1．738g／cm)及其合金(1．75～1．85g／密度低，不到医用Ti合金密度的1／3，与人密质骨．75g／cm)极其相近2、Mg及镁合金有高的比强度与比刚度，杨氏模量约为45GPa，不到医用钛合金弹性模量(109～112GPa)的1／2，能有效缓解骨科植入物的应力遮挡效应研究目的•镁具有很好的生物相容性，镁本身是人体新陈代谢所必需的元素,镁及其合金与人骨的密度和弹性模量相近,因此作为骨折内固定材料具有重要意义。但是镁合金比较活泼,耐蚀性能差,因此提高其耐蚀性能具有重要意义.•而此次试验想通过碱热处理使得镁合金的耐蚀性得到改善,为其成为医用材料提供参考镁合金作为骨折内固定材料出现的问题•镁基合金的耐蚀性能较差，很容易发生点蚀，在有CL-存在的腐蚀环境中腐蚀速率更快，且在周围介质的pH值低于11．5时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。人体内的pH值约为7．4，在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症，使体内环境的pH值低于7．4，所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。虽然镁是人体的常量元素，但吸收过量镁离子对人体也是有害的解决方案：提高镁合金的耐蚀性•(1)稀土的低微合金化。(2)开发高纯镁合金。(3)表面处理：·微弧氧化·金属镀层·碱热处理（本实验所用研究手段）稀土的低微合金化•稀土的低微合金化是开发耐腐蚀镁合金的一个方向，镁合金中适量轻稀土元素的加入不但可有效提高合金的耐腐蚀性能和力学性能，同时初步的研究表明轻稀土元素的适量加入还有利于提高生物植入体的抗凝血行为[15]。上海交通大学目前已经开发出一种高耐蚀同时具有良好力学性能的医用镁合金材料。该合金的典型性能指标为：力学性能指标6o2=160-260MPa，6=20％～35％(不同变形态)，耐腐蚀性能指标：标准盐雾实验腐蚀速率为0．25mm／年，明显优于商用镁合金AZ91D的1mm／年。由于该合金具有很好的塑性成形性能，可以制备各种形状的植入体开发高纯镁合金•杂质含量是影响镁合金耐蚀性的最重要因素之一，尤其是有害元素，如Fe、Ni、Cu和Co@含量。控制合金中这些有害元素的含量在容许极限以下(Fe，Cu和Ni3种元素在Mg中的最高溶限量分别为170xl0，1000xl0和5xl0。降低冶金中重金属杂质的含量，可以有效提高合金的耐蚀性能[16]表面处理：微弧氧化•微弧氧化微弧氧化技术(又称微等离子体氧化或阳极火花沉积)是近几年才发展起来的一项在有色金属表面原位生长氧化物陶瓷层的新技术，可在金属表面形成多孔、耐蚀、耐磨的薄氧化层，已在钛种植体表面成功应用，是一种很有希望的医用金属植入体表面生物改性技术[15]。Zhang等[17]实验证明，微弧氧化表面改性后AZ91D镁合金的耐蚀性及耐磨性均得到显著提高。表面处理：金属镀层•金属镀层研究表明在纯镁上离子镀钛，制备了无孔的钛涂层，采用电化学方法测试了合金的腐蚀性能，发现：合金的自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度下降，说明金属镀层可以控制镁合金的耐蚀性。表面处理：碱热处理•碱热处理碱热处理也能够明显提高镁合金的耐蚀性。据报道：镁合金经碱热处理后的表面产物能够使合金的腐蚀速率降低，并能够改善镁合金的生物相容性。高家诚等人研究了对纯度为99．9％的纯镁表面改性，以提高纯镁在仿生模拟体液(SBF)中的耐腐蚀性能。其过程为：室温下将纯镁在初始pH值为9．3的过饱和NaHCO3一MgCO3。混合溶液中浸泡24h，然后在773K保温10h；再将试样放入(37±0．5)℃的SBF溶液中浸泡14d。X射线衍射分析表明：纯镁在NaHCO3一MgCO3混合溶液中浸泡后，表层主要为MgCO3·3H2O晶体；热处理后，MgCO3·3H2O晶体转变成MgCO3和Mg(OH)2的混合物。EDS分析表明，距表面厚约20um的基体被氧化，形成了耐蚀氧化层。经碱热处理的试样在SBF溶液中浸泡14d后，经X荧光能谱(XPF)分析可知表层沉积出Ca／P摩尔比为1．858的钙磷基沉淀。本阶段实验表明，碱热处理可以显著提高纯镁在仿生环境下的耐腐蚀性能本实验的研究内容•研究不同工艺碱热处理后材料表面的微观形貌和结构•研究不同工艺碱热处理后材料在模拟体液中电化学腐蚀行为•研究工艺条件对碱热处理后材料耐腐蚀性能的影响规律•研究工艺条件对碱热处理后材料硬度变化规律研究的方法与手段•利用热处理炉进行碱热处理试验•利用电化学工作站对碱热处理后式样的电化学行为进行分析可行性分析•大量研究已经证实碱热处理能在材料表面生成致密且厚的表面层,有利于腐蚀性能的提高；本实验重在研究不同工艺碱热处理后镁合金的耐蚀性能、硬度变化的影响规律，且本校目前拥有热处理炉能够进行热处理实验，拥有电化学工作站能够对碱热处理后式样的电化学行为进行分析，故本实验可行。镁合金具有诸多优点．如与人体相近的弹性模量和防磁功能，良好的生物相容性和在氯离子环境中的可降解性，因此，其在生物医用领域具有巨大的潜力。但是镁合金的耐蚀性成为其发展的瓶颈，人们通过各种方法提高了其腐蚀性能，希望本实验结果会对进一步提高其腐蚀性能做出参考，为镁合金早日作为植入材料的应用做出微弱贡献结束语