镁科研：粉末冶金技术改善镁基生物材料的力学性能与生物降解性能 ...

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论文概述

生物可降解镁合金植入材料密度轻，弹性模量与人骨接近，降解产物Mg²⁺对人体无毒，同时避免了永久性种植体出现的二次手术、应力屏蔽、骨感染和关节僵硬等问题，在生物医学领域具有极大优势。然而，镁基生物材料的耐蚀性较差，在人体中容易出现H₂积累、体液碱化，最终导致材料失效，限制了其进一步使用。作者在前期对Mg-Zn-Ca合金已展开了广泛的研究，发现其力学性能和腐蚀性能比纯镁好，但用作生物医用材料其耐蚀性还有待进一步提高。Nb极易在金属表面生成稳定的保护性氧化膜，当其与氢氧化物反应时，可生成骨状氧化物层，有助于骨整合。然而，目前对含Nb镁基生物材料的研究还比较少。

近日，来自印度理工学院的Pulak M. Pandey博士等人将Nb、Zn、Ca、Mg四种粉末混合均匀，通过常规粉末冶金技术制备出具有良好腐蚀性能的镁基生物材料。结果发现，当Nb含量为15 wt.%时，在优化后的工艺参数下，制得Mg3Zn1Ca15Nb具有最佳的极限抗压强度（227.8 MPa）和最低的腐蚀电流密度（为56.733 μA/cm²）。

文章采用了如图1所示的粉末冶金制备工艺。首先在行星式球磨机中按20:1的球粉比，通过球磨1小时、200 r/min的球磨条件将不同比例的Nb与Mg3Zn1Ca粉末混合均匀，期间保持氩气一直通入以保证粉末在该过程中不发生氧化。再利用液压机在不同压制压力(100-500 MPa)下对研磨后的粉末进行8-10 min的压制，得到直径10 mm、高度15 mm的坯料，最后在管式炉内不施加任何压力进行烧结。

图1 粉末冶金制备工艺示意图

各烧结参数对材料的极限抗压强度的影响情况如图2(a)、(b)所示。可以发现，对于极限抗压强度而言，压制压力对其影响最大，升温速率和烧结温度次之。在最大压制压力、最高烧结温度和最长保温时间的条件下，由于烧结机理改变、气孔消失、附着力和焊点增加，材料的极限抗压强度最大。此外，文章利用方差分析方法对实验数据进行了统计分析，得到最优的烧结参数为压制压力：500 MPa，升温速率：500℃/h，烧结温度：640℃，保温时间：10 h，Nb百分比：15 wt.%。

图2 各参数对材料极限抗压强度的影响

为了评价最优参数烧结Mg3Zn1Ca15Nb合金的耐蚀性，进行了电化学测试，极化曲线及参数如图3、表1所示。铌的掺入提高了该材料在SBF溶液中的耐蚀性。在Mg3Zn1Ca中加入15 wt.%的Nb后，在表面生成了更稳定、耐蚀性更好的Nb氧化物，极化曲线正移，腐蚀电流密度降低约32.8%，为56.733 μA/cm²。

图3 动电位极化曲线

表1 极化曲线参数

将制得Mg3Zn1Ca15Nb的力学性能、腐蚀性能与人骨和前期研究进行对比，发现该合金具有良好的力学性能和生物学性能，在骨科领域有望进一步应用。

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