基于微观结构和电偶腐蚀的生物可降解镁合金腐蚀过程建模与仿真研究

Magnesium alloy has biodegradable properties and excellent mechanical properties compared with other biomedical metal materials. The fast corrosion rate of biodegradable magnesium alloy in vivo is the key problem blocking its clinical application. The corrosion process of magnesium alloy is extremely complex and influenced by many factors. The experimental research on controlling the corrosion rate of magnesium alloy need a lot of complicated, longtime and expensive experiments. Computer simulation is a valid method solving this problem. There are some researches on three-dimentional alloy corrosion simulation, while the models are all based on the ideal single galvanic local corrosion, can not simulate complex galvanic corrosion process of bulk magnesium alloy. The project is suggested that, Cellular Automaton method is used to construct the micro-structure model of magnesium alloy; and the finite element method is used to simulate corrosion process of magnesium alloy and its mechanical properties during corrosion process based on the micro-structure model; then the simulation model of biodegradable magnesium alloy corrosion process based on micro-structure and galvanic corrosion is constructed and validated by corrosion experiments. The model can simulate influences on corrosion process of different fators, and research the method of controlling corrosion rate of magnesium alloy, which has important scientific research and clinical application value for reducing the development cost, abbreviating the perieod from research developing to clinical application, and providing powerful tools for developing novel biodegradable magnesium alloy.

镁合金相对其它医用金属材料，兼具有可生物降解特性和较优的力学性能，体内降解(腐蚀)速度过快是阻碍其走向临床应用的关键问题。镁合金腐蚀是个复杂的过程，受多种因素影响，通过实验研究控制镁合金腐蚀速度方法需进行大量复杂、时间长且昂贵的实验。计算机仿真是解决这一问题的有效方法。现已有对合金电偶腐蚀仿真的研究，但仿真均是基于理想单电偶局部腐蚀模型进行，不能模拟大块镁合金的复杂电偶腐蚀过程。据此，项目提出，利用元胞自动机法，构建镁合金微观组织结构模型；基于此模型，利用有限元方法对镁合金电偶腐蚀过程及腐蚀过程中力学性能进行模拟，构建基于微观组织结构和电偶腐蚀的镁合金腐蚀过程仿真模型，并通过实验进行验证。应用模型模拟不同因素对镁合金耐腐蚀性能的影响，研究控制镁合金腐蚀速度的方法，不但可以降低研发成本，缩短从开发到临床应用周期，还为开发新型生物可降解镁合金提供了有力工具，具有重要的科学研究和临床应用价值。

镁合金相对其它医用金属材料，兼具有可生物降解特性和较优的力学性能，体内降解(腐蚀)速度过快是阻碍其走向临床应用的关键问题。镁合金腐蚀是个复杂的过程，受多种因素影响，通过实验研究控制镁合金腐蚀速度方法需进行大量复杂、时间长且昂贵的实验。计算机仿真是解决这一问题的有效方法。本项目以研究控制镁合金腐蚀速度的方法、生物降解镁合金腐蚀过程计算机仿真为研究对象，通过对合金微观组织结构模拟方法和电偶腐蚀模拟方法的分析，实现①微观组织结构模拟、②电偶腐蚀过程模拟及③腐蚀过程中力学性能仿真。应用模型模拟不同因素对镁合金耐腐蚀性能的影响，研究控制镁合金腐蚀速度的方法，不但可以降低研发成本，缩短从开发到临床应用周期，还为开发新型生物可降解镁合金提供了有力工具，具有重要的科学研究和临床应用价值。.研究内容：1)生物可降解镁合金三维晶粒生长算法研究。2)生物可降解镁合金三维动态再结晶算法研究。3)电偶腐蚀算法研究。4)应用仿真模型，研究合金元素、制备工艺、热处理、表面改性等不同因素对镁合金耐腐蚀性能影响，研究控制镁合金腐蚀速度的方法。.项目完成了1)生物可降解镁合金三维晶粒生长算法、2)生物可降解镁合金三维动态再结晶算法、3)基于镁合金微观组织结构的电偶腐蚀算法三部分内容。第4）部分，要实现微观组织结构模拟、电偶腐蚀过程计算机仿真，研究不同因素对镁合金耐腐蚀性能，需要将1）2）3）部分的算法以及模型进行有机整合，基于1）生物可降解镁合金三维晶粒生长模型基础上，进行2）生物可降解镁合金三维动态再结晶，并在2）模型基础上进行3)基于镁合金微观组织结构的电偶腐蚀计算，在此基础上进行4) 微观组织结构模拟、电偶腐蚀过程有限元仿真，申请时没有考虑到复杂程度，项目没有完成1）2）3）部分算法模型的有机整合。使得仿真难以达到预期效果，还需要提供进一步的研究加以支撑。同样对能够直接应用复杂结构植入体（例：螺钉）的体内降解过程的仿真，必须考虑更多的体内降解情况与体外降解情况差别影响，才能为医学界和工程界接受。完整方案的仿真需更进一步研究完善。.总之，我们将创造各种条件继续开展这项研究工作，并对基金的支持表示衷心的感谢。