生物可降解Zn-Mg-Mn合金中强化相的行为原理

Focused on the newfound nanometer ternary compound, the phase equilibria in the Zn-rich corner of the Zn-Mg-Mn system and the solubility in the Zn-based solid solution will be experimentally determined. Combined with the phase diagram calculation, the formation condition of the ternary compound will be thermodynamically revealed. Based on the precipitation rule of the nanometer ternary compound in the Zn-based solid solution and microstructure evolution of the Zn-based alloy, the microstructure control of the Zn-based alloys can be finally achieved. The effect of the microstructure on the strength and plastic will be elucidated by the analysis on mechanical properties of the typical Zn-Mg-Mn alloys. The effect of the alloy composition and microstructure on the degradation behavior will be mastered. Combined with in vitro biocompatibility research, the novel model for composition design of the biodegradable Zn-based alloy could be constructed, so that the Zn-based alloy with new composition and microstructure could be obtained to possess the suitable mechanical properties, biocompatibility and controllable degradation behavior. Intellectual property of the biodegradable Zn-based alloy will be completely achieved.

以发现的纳米三元新相为中心，对Zn-Mg-Mn三元系富Zn区域相平衡关系以及Zn基固溶体溶解度进行精确测定；结合相关热力学计算，确定三元新相形成的热力学条件；明确纳米三元新相在Zn基合金中的析出规律，掌握Zn-Mg-Mn系合金实际工艺状态下的组织演化行为，实现合金微观组织调控。通过典型三元合金的力学性能分析，阐明合金微观组织对材料强度与塑性的影响机制；明确合金成分及其组织对合金降解行为的影响规律；辅以体外生物相容性研究，建立强韧化生物可降解Zn基合金的成分设计基本范式，获得具有适宜力学性能和生物相容性、以及可控的生物降解功能的新成分、新组织Zn基合金。获取Zn基生物可降解金属材料的完整知识产权。

目前锌基合金作为新一代医用植入器械类材料的主要缺点是力学性能差，而提高材料力学性能的常用方法有合金化和变形处理。合金化元素的增多将导致合金中第二相增大，而血管支架壁厚普遍小于0.2 mm，较大颗粒的第二相将直接影响支架的性能。变形处理可以有效的改变合金的微观组织改善材料力学性能。因此，本项目首先明晰了富Zn角的相平衡关系，明确了三元T化合物的温度及成分范围和晶体结构。构建了Zn-Mg-Mg三元系的热力学参数，并分析了不同成分锌合金的凝固过程和相关相的析出过程。在此基础上，开发了微合金化Zn-0.05Mg-0.5Mn合金，在100℃和1 mm/s的挤压速度下，合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率依次为333±1 MPa、361±2 MPa和25±1%，可以满足血管支架对材料力学性能的要求。同时，Zn-Mg-Mg锌合金具有适宜的降解速度和良好的生物相容性。对Zn-Mg-Mg锌合金板、管和棒线材的研究结果表明，该合金体系具有良好的力学性能，主要归因于锌基体的晶粒细化和基面织构的弱化。此外，基于微合金化理论，开发出了新型的高强塑Zn-Cu-Mg-Ti和Zn-Cu-Ag-Mg-Mn锌合金。从成分设计，加工技术及工艺，具有完整的Zn基生物可降解金属材料知识产权，从而为新一代可降解金属材料植入器械的开发奠定了基础。