含长周期堆垛结构相镁合金的力学和生物降解行为

由于可在人体生理环境下降解，镁合金作为医用骨科修复与固定器件材料可避免目前临床上骨愈合后的二次手术。同时，相对于可生物降解的高分子材料，具有强度高、加工和消毒过程中稳定性好等优势。然而，现已发展的镁合金受到降解速率过快和机械强度较低的制约仍未理想地满足作为骨组织修复材料的要求。本项目提出以可形成长周期有序堆垛（LPSO）结构相的Mg-Zn-RE三元合金为基础，进一步在高强度、生物相容性和降解速率三个方面优化镁合金的综合性能。研究合金化元素原子尺寸效应和冷却速率对形成LPSO相的影响，通过调控LPSO相的形貌和相对量来优化合金的力学性能。采用体内外实验对具有 LPSO相镁合金的降解行为和生物学行为进行评价。探索发展出具有高强度、生物相容性和降解速率良好匹配的新型镁合金，为其医学上的临床应用提供依据。

由于可在人体生理环境下降解，镁合金作为医用骨科修复与固定器件材料可避免目前临床上骨愈合后的二次手术。然而目前的镁合金仍然面临着含有生物毒性元素、强度低、降解速率过快等挑战。因此，亟待发展无生物毒性、高强度、降解速率低的新型镁合金，以适用于骨科修复材料领域。本工作基于生物相容的Zn和Y元素，通过调整Mg-Zn-Y合金中长周期相的体积分数优化力学性能，随着长周期相含量的提高，合金强度增加。以优化出的Mg97Zn1Y2合金为基础，随着大原子Ca含量的增加，合金综合力学性能下降。细化剂Zr的添加使晶粒尺寸细化至Mg96.83Zn1Y2Zr0.17的30µm。进一步的热挤压变形也可较大提高合金的屈服强度和延伸率。.考虑到氨基酸和蛋白质等对镁合金降解行为的影响，本项目采用了含胎牛血清的DMEM培养基。Mg-Zn-Y系列合金的腐蚀过程分为均匀和局部腐蚀两个阶段。随着长周期相体积分数的增加，电偶腐蚀作用增强，合金抗点蚀能力下降。降解半衰期（t0.5）表示合金质量损失50%时对应的时间。由于Zr元素的晶粒细化作用，铸态含Zr合金的降解速率有所降低。挤压变形进一步将Mg96.83Zn1Y2Zr0.17合金的t0.5延长。对于局部腐蚀控制的合金，t0.5与膜破裂电位和自腐蚀电位的之间电势差ΔE存在明显的关联。因此挤压态Mg96.83Zn1Y2Zr0.17合金不仅具有良好的屈服强度（162Ma）与延伸率（26%）的匹配，而且在模拟生理环境下的降解速率也相对较慢，有望作为骨组织修复的候选材料。.从生物安全性角度考虑，Dy、Y、Gd、Nd 是无毒性的候选合金化元素，新型 Mg-RE 系可降解合金大都基于这些元素以提高强度和耐蚀性。本工作选取了这四种稀土元素，研究其在含氯离子盐溶液环境下的腐蚀行为，并理解其与含稀土镁合金的耐蚀性之间的相关性。结果表明耐蚀性由强到弱的顺序为 Dy、Y、Gd、Nd，其本身的表面膜几乎不具备钝化能力。.相对于纯钛和钛合金，Zr61Ti2Cu25Al12 (ZT1)金属玻璃具有高强度、高断裂韧性、低弹性模量等优越性能，有潜力作为生物医用牙科植入材料。研究了ZT1、纯Ti、Ti-6Al-4V的生物相容性，结果表明ZT1的细胞应答的生物相容性与钛及其合金相当，还表现出了更好的成骨倾向。研究了ZT1在干摩擦和模拟生理环境中的磨损机制。