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镁/磷酸三钙生物降解复合材料的制备及性能研究

作　者: 吴泽宏
导　师: 王勇
学　校: 重庆大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 镁/磷酸三钙复合材料模拟体液腐蚀力学性能
分类号: R318.08
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

镁及其合金具有与人体骨相近的密度、弹性模量、无毒、生物相容等诸多优良的性能,但是,其在人体体液中腐蚀速率太快,限制了其在生物材料方面的应用,同时金属镁不具有骨诱导性,而且其强度低于人体骨强度。磷酸三钙(Ca3(PO4)2,TCP)成分与骨组织相似,具有良好的生物相容性、容易生物降解吸收、具有骨传导性以及无毒副作用,但是其疲劳强度低,脆性大,抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨要求。本文采用粉末冶金法将纯镁与磷酸三钙复合,综合两者的优点,制备出一类新型的硬组织植入材料,对其力学性能及腐蚀性能进行了分析和研究。选用纯镁和磷酸三钙粉末为原料,采用粉末冶金法制备出不同TCP含量的镁/磷酸三钙复合材料,于万能材料试验机上进行压缩试验,测其屈服强度和抗压强度;并将材料试样于37℃的Hank’s模拟体液中进行浸泡腐蚀及电化学分析,测试析氢速度、腐蚀失重、溶液pH值变化及腐蚀电流密度等,采用扫描电镜(SEM)、金相显微镜、X射线衍射(XRD)等分析手段对试样表面形貌及物相分析。研究了不同TCP含量对复合材料的腐蚀性能及压缩力学性能的影响。结果表明:1 TCP的加入,能够提高复合材料的压缩屈服强度及维氏硬度。本试验条件下制备出的Mg/TCP复合材料压缩屈服强度可以达到人骨屈服强度的范围。2电化学测试、腐蚀失重测试及析氢测试结果表明,加入适量TCP,有利于Mg/TCP复合材料耐蚀性能的提高,但TCP含量与材料的耐蚀性并不是简单的线性关系。3 XRD分析结果发现,浸泡后材料表面主要沉积物为Mg(OH)2,复合材料试样表面还有HA的沉积,而纯镁试样表面则未检测到HA。热力学计算证明,复合材料中的TCP具有诱导HA沉积的作用,表明复合材料相对于纯镁试样,具有更优的骨诱导性;HA的生成也能够在一定程度上抑制复合材料的腐蚀,从而改善材料耐蚀性。4本试验条件下,结合复合材料的力学性能、耐腐蚀性及生物活性可知:Mg-5wt%TCP复合材料具有最优的综合性能。5有机泡沫浸渍法能制备出具有连通孔洞结构的多孔TCP,多孔TCP孔隙率高达80%,孔径范围约为50～500μm。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
1 绪论  9-23
  1.1 引言  9
  1.2 生物医用材料  9-11
    1.2.1 生物医用材料定义及分类  9-10
    1.2.2 生物医用材料发展  10
    1.2.3 生物材料的性能要求  10-11
  1.3 医用金属材料  11-15
    1.3.1 传统医用金属材料  11-13
    1.3.2 镁及镁合金  13-15
  1.4 磷酸钙生物陶瓷  15-19
    1.4.1 磷酸钙生物陶瓷的结构及其特性  15-16
    1.4.2 磷酸钙生物材料的生物学性质  16-19
  1.5 镁基复合材料  19-21
    1.5.1 镁基复合材料概况  19
    1.5.2 镁基复合材料的制备方法  19-21
  1.6 课题研究内容、目的及意义  21-23
    1.6.1 课题的提出  21
    1.6.2 研究目的和内容  21-23
2 实验材料及方法  23-33
  2.1 实验材料及主要实验设备  23-24
    2.1.1 实验材料  23-24
    2.1.2 主要实验设备  24
  2.2 粉末冶金Mg/TCP 复合材料制备  24-27
    2.2.1 工艺流程  25
    2.2.2 实验过程  25-27
  2.3 实验方法  27-33
    2.3.1 技术路线  27
    2.3.2 金相观察  27-28
    2.3.3 X 射线衍射分析  28
    2.3.4 扫描电子显微镜及能谱分析  28
    2.3.5 密度测试  28-29
    2.3.6 硬度测试  29
    2.3.7 压缩性能测试  29
    2.3.8 析氢实验  29-30
    2.3.9 浸泡实验  30
    2.3.10 电化学测试  30-33
3 实验结果  33-55
  3.1 复合材料微观组织及结构  33-37
    3.1.1 金相观察  33-35
    3.1.2 扫描电子显微镜组织观察  35-37
    3.1.3 XRD 分析  37
  3.2 密度测试  37-40
    3.2.1 压坯密度  37-39
    3.2.2 复合材料密度  39-40
  3.3 显微维氏硬度  40
  3.4 压缩性能  40-42
    3.4.1 屈服强度及抗压强度  40-41
    3.4.2 断口形貌分析  41-42
  3.5 析氢实验  42-43
  3.6 浸泡实验  43-51
    3.6.1 试样质量变化  43-44
    3.6.2 Hank’s 溶液pH 值变化  44-45
    3.6.3 试样表面形貌  45-49
    3.6.4 试样表面沉积物  49-50
    3.6.5 Hank’s 溶液沉淀  50-51
  3.7 电化学测试  51-55
    3.7.1 电化学腐蚀速率  51-52
    3.7.2 电化学阻抗  52-55
4 熔体浸渗法制备 Mg/TCP 复合材料探索研究  55-63
  4.1 实验过程  55-59
    4.1.1 多孔磷酸三钙坯体的制备  55-58
    4.1.2 金属镁熔体浸渗  58-59
  4.2 实验结果  59-63
    4.2.1 多孔磷酸三钙孔隙率  59
    4.2.2 多孔磷酸三钙形貌  59-60
    4.2.3 XRD 分析  60-61
    4.2.4 熔体浸渗探索  61-63
5 分析与讨论  63-75
  5.1 复合材料致密性研究  63-66
    5.1.1 压制压力与压坯密度关系  63-65
    5.1.2 粉末物理性能与压坯密度  65
    5.1.3 烧结密度和挤压密度  65-66
  5.2 镁/磷酸三钙复合材料的压缩性能  66-67
  5.3 镁/磷酸三钙复合材料的腐蚀机理  67-75
    5.3.1 纯镁在Hank’s 溶液中的腐蚀  67-68
    5.3.2 Hank’s 溶液中的沉淀反应  68-75
6 结论  75-77
致谢  77-79
参考文献  79-85
附录作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  85

镁/磷酸三钙生物降解复合材料的制备及性能研究

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