可降解镁合金微弧氧化复合涂层组织结构调控与腐蚀行为

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bbaaccd
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镁合金因具有良好的生物可降解性、优异的生物相容性、与人体骨相匹配的力学性能等特性,成为医用可降解金属材料的研究热点。但腐蚀降解速率过快,以及降解速率不可控等关键问题限制了其在不同植入环境下的应用。本文分别针对镁合金用于临时承力固定、骨缺损活性诱导修复、抗菌活性诱导修复等应用微环境,采用微弧氧化法(MAO)及后处理工艺构建复合涂层,提高镁合金的耐蚀性能,通过腐蚀环境下的疲劳试验模拟研究应力服役下涂层镁合金的失效规律并初步建立选用原则;通过微弧氧化复合涂层组织结构设计构建骨缺损活性诱导修复涂层;通过抗菌微弧氧化涂层结构设计构建抗菌活性诱导修复涂层;最后通过动物体内植入验证涂层植入体的腐蚀降解行为与骨缺损修复效果。结果表明:镁合金表面10μm与20μm厚微弧氧化涂层,主要由Mg O、Mg2Si O4、Ca Si O3、Mg3(PO4)2等组成;20μm厚涂层镁合金的自腐蚀电位较镁合金基体提高到-1.62V,自腐蚀电流从镁基体的6.30×10-4A/cm2提高到1.60×10-5A/cm2,降低了1个数量级。进而通过试样在模拟体液(SBF)腐蚀环境下的疲劳试验模拟腐蚀与应力耦合作用下涂层的破坏行为。在腐蚀环境下,当应力大于60MPa时,由于应力与界面缺陷的限制,涂层试样的抗疲劳性能低于镁合金;而当或循环次数大于105N时,由于涂层的抗腐蚀作用,10μm厚涂层试样的疲劳寿命高于镁合金。10μm与20μm厚涂层试样的平均相对疲劳寿命分别由AZ31镁合金的0.06提高到0.4与0.28,显著降低了镁合金的腐蚀疲劳敏感性。为进一步提高涂层镁合金的抗腐蚀与腐蚀降解调控能力,通过微弧氧化和碱热改性构建出Mg(OH)2/MAO/Mg(OH)2多层结构复合涂层;水热处理时间为8h时,涂层厚度从6μm增加到24μm,自腐蚀电位提高到-1.30V,自腐蚀电流降低到9.28×10-7A/cm2,比MAO降低了一个数量级;在SBF中浸泡腐蚀,结果发现,2周后复合涂层试样失重为6.5mg/cm2,远小于MAO试样的17.9mg/cm2,同时复合涂层有效抑制了涂层在浸泡初期形成的微裂纹,避免加速腐蚀。为提高涂层致密性、结合性及抗腐蚀性能,采用微弧氧化与水热处理构建出MAO-Ca P/r GO复合涂层,涂层的晶粒尺寸与致密性显著增加,在SBF中浸泡腐蚀发现,复合涂层在6周内失重低于20mg/cm2,小于镁合金的84.9mg/cm2,且涂层仍能保持结构完整性。为赋予涂层镁合金植入体抗菌与降解调控性能,构建了含Cu、Zn、Ag元素的抗菌微弧氧化涂层。Cu、Zn、Ag元素在涂层中含量分别达到3.31w.t%、5.39w.t%和5.45w.t%;抗菌微弧氧化涂层试样均表现出良好的细胞生物相容性;含Zn涂层试样对于肉葡萄球菌(S.carnosus)的抗菌率达到91.42%;含Ag涂层试样对于大肠杆菌(E.coli)具有较好的抗菌效果,抗菌率达到99.99%。采用15mm宽骨缺损模型评价涂层镁合金植入体的体内降解和骨缺损修复愈合行为。将镁基体、10μm和20μm厚微弧氧化涂层试样植入到的骨缺损模型中,研究发现:4周后20μm涂层支架体积损失仅为53.39mm3,小于镁支架的101.57mm3,8周后镁合金支架完全腐蚀,而12周后涂层支架仍可为骨组织提供生长位置与力学刺激。植入8周后,在植入物周围形成大量骨痂,并初步桥接上下15mm骨间隙;涂层阻碍了腐蚀性离子与镁基体的直接接触,并可通过不同涂层厚度对镁合金的腐蚀速度进行调控。
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