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案例分享

探究一种可被人体吸收的新型金属骨植入材料

来源: 作者: 发布时间:2019-04-18 11:12:47 浏览次数: 【字体:

重庆市第一中学 王炎钰

  指导教师 李麒麟 (重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心)

  来源:全国青少年科技创新大赛获奖作品展播

  目前常用的金属骨植入材料以不锈钢、钛合金为主,这些材料都不同程度地存在着应力遮挡、不可降解、需二次手术等问题,因此迫切需要一种可被人体吸收的新型金属骨植入材料。镁合金因可被人体降解吸收而受到国内外高度关注,但作为骨植入材料存在腐蚀降解速度过快、易产生氢气等问题,限制了它的临床应用。作为可降解的金属骨植入材料,镁如果要作为基体,就必须要克服一般镁合金腐蚀速率过快的问题,我们将通过两方面来加以解决:一是引入非晶独特微观结构,二是添加锰净化基体中对腐蚀敏感的Fe、Ni等有害杂质元素以进一步提高耐腐蚀性。通过这两点措施,我们解决了非晶合金力学易脆,而晶态合金耐蚀性差的问题。

  我们选用的镁合金非晶材料是Mg-Zn-Ca-Mn,其元素成分比例是Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5。之所以选用这样的比例,是经过对非晶复合材料的微观组织表征、力学性能、耐蚀性能、细胞毒性的综合测定后得出的最优比例。特别值得一提的是,添加0.5%的Mn是十分重要的,这从几方面可以说明:

  1. 微观组织表征上,从XRD(X射线衍射)图谱上看出,添加Mn之前,合金为非晶材料;添加Mn之后,合金形成了由非晶组织和晶态相共同组成的非晶复合材料。

  2. 力学性能上,未添加Mn时,合金的压缩强度性能优异,压缩延伸率为1.3%;添加Mn后,合金的强度出现下降,且Mn含量越高,合金强度越低。但0.5%Mn加入后,合金的压缩延伸率有所增加。

  3. 耐蚀性能上,添加少量Mn的合金的耐腐蚀效果最好,而且添加Mn的非晶复合材料的腐蚀产物可以促进骨生长,生物特性较优异。

  4. 细胞毒性上,Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5可以促进细胞的增长与繁殖,没有明显的细胞毒性。

  在确定了镁合金材料的组分比例之后,我们还需要确定如何对其冶炼和加工,这里采用的是感应熔炼+铜模喷铸法来制得这种Mg-Zn-Ca-Mn非晶复合材料。

  我们设计出的Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5非晶复合材料,在保留了常规镁合金诸多优点的基础上,还克服了传统生物镁合金耐蚀性差的缺点,人体相容性优异,是一种具有良好应用前景的人体金属骨植入材料。


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