多孔镁合金生物材料制备方法及性能强化机制研究

Porous magnesium alloys show extensive application potentials in bone tissue engineering area due to its better biocompatibility, biodegradation, similar mechanical properties as well as favorable pore structures for cell ingrowth. However, the weak strength and inferior corrosion resistance of porous magnesium makes the application difficult, and the alloying technique was introduced to solve the problem in the study. Firstly, the research develops a series of Mg-1.5Mn-Zn/Ca alloys based on the Mg-1.5Mn anti-corrosion alloys and the porous structure would be adjusted through modified infiltration process; the mechanical properties of porous magnesium alloys would be obtained by compression test, and the relationship between pore structure, phase state, microstructure and mechanical properties would be revealed; the corrosion and mechanical degradation mechanisms in simulated body fluid would be understood; the phase evolution and degradation mechanism would be disclosed through systematically examination of morphology, microstructure and surface states of corrosion products. It is expected that the present study would provide theoretical foundation and technical support for the clinical application of porous magnesium alloys.

作为新型可降解金属材料，多孔镁因其良好的生物相容性、力学相容性以及有利于细胞长入的孔结构，在骨组织工程领域展现出巨大的应用潜力。目前存在的瓶颈是如何有效调控多孔镁力学性能及降解速率，使其达到服役要求。合金化强化方法是解决该问题的根本途径。本项目拟在Mg-1.5Mn耐蚀镁合金基础上，添加Zn、Ca等合金元素，采用革新的渗流制备方法，获得系列多组元多孔镁合金；测试材料准静态压缩性能，澄清材料孔结构、合金物相组织与力学性能的对应关系；考察材料在仿生体液中的腐蚀方式与降解速率，探索其力学性能演化规律；深入分析材料表面腐蚀层形貌、物相组织、化学态等信息，揭示多孔镁合金降解机理；探讨材料孔结构、合金物相组织对多孔镁合金降解行为的影响，阐明其合金化性能强化机制，为多孔镁合金的设计及其在生物临床上的应用提供理论依据与技术指导。

作为新型可降解金属材料，多孔镁合金因其优异的生物相容性、力学可调性以及利于细胞长入的孔结构，在骨组织工程领域展现出巨大的应用潜力。项目针对多孔镁渗流制备、性能强化以及可控降解等材料基础问题，分别采用引入粉体成型技术制取球形易溶填料、合金化强化以及表面制备热蒸镀锌合金层等方法，相继解决了多孔镁后续脱溶困难引起基体腐蚀、多孔化后材料强度不足、降解速率过快等关键瓶颈问题。研究发现，团粒法获得的球形易溶填料，因其存在大量孔隙结构，其水溶溃散时间较原生NaCl颗粒降低上百倍，真空渗流后制备的球形孔多孔镁表面清洁、无异相残余，其力学性能具有各相同性；多孔镁及其合金压缩应力应变曲线呈现出典型的塑性泡沫金属变形模式，即由孔棱弹性变形而形成的弹性区，因孔壁弯曲坍塌而产生的平台区以及应力急剧上升造成的硬化区组成，宽阔的平台区可发挥较好的应力承载作用；材料压缩强度可通过构型（孔径、孔隙率）、组织（合金化、热处理）控制进行强化，添加0.94wt.%Mn、4.85wt.%Zn、0.12wt.%Ca合金元素并经固溶时效处理后，材料压缩强度及弹性模量较多孔镁分别提高约3.2、17.5倍，其主要强化机制为固溶、弥散强化；Mg-Mn-Zn-Ca系多孔镁合金在SBF中降解速率较多孔镁可降低5倍以上，但添加Ca等元素对其化学电位影响较小，且固溶强化后，材料电位（-1.87eV）较均匀化退火样品（-1.62eV）有所降低，材料表现为均匀腐蚀；采用热蒸镀法在多孔镁表面制备锌合金层可有效调控复合多孔镁合金降解性能，通过变换试样在蒸镀管中的位置（调控沉积温度），可获得不同组织的富锌合金层，当沉积优于扩散反应时，镀层以α-Zn为主，材料耐蚀性能大大提高，浸蚀144h后，其降解速率为多孔镁样品的1/10，而热扩散型镁锌镀层，因共晶相形成，形成电偶腐蚀，其降解速率反而提高，因此，该方法为调控多孔镁合金耐蚀性能提供了有效途径。上述工作及成果为多孔镁合金骨组织工程支架的设计及其在生物临床上的应用提供了材料支持与理论基础。