医用镁钙合金的制备和力学性能研究.pdf

医用镁钙合金的制备及力学性能研究 周小淞，何芳，黄远，王玉林，万怡灶* 天津大学材料与工程学院，天津 (300072) E-mail ：yzwan@ 摘 要：本课题通过从冶金学和生物学两方面考察合金元素的作用，熔炼出了含钙量分别为 0.58wt.%、1.24Wt.%、1.62wt. ％和2.04wt.%的镁钙合金，并通过退火+ 固溶处理+人工时效 的热处理工艺改善合金的性能，并研究了含钙量对合金力学性能的影响。结果显示，钙的加 入能有效提高合金的模量，但也会降低合金的强度和塑性。最后通过与骨组织力学性能进行 比较，确定了最适合的合金成分。 关键词：生物医用材料，镁钙合金，力学性能 1. 引 言 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚强度高等优异的综合性能，已被较为广泛地应用 在航空航天、电子通信、汽车制造等领域；而镁作为硬组织植入材料，与现已投入临床使用 的各种金属植入材料相比，具有以下突出的优点:资源丰富，价格低廉；作为目前最低密度 的结构材料，有许多与人体骨骼十分接近的力学性能参数；作为人体必须的金属元素，具有 非常好的生物相容性。 近几十年来，随着人们对医用材料性能要求的不断提高，镁合金凭借其许多优异的特性 重新获得了重视。重庆大学材料科学与工程学院高家诚教授的课题组率先开展了通过表面改 性提高纯镁耐蚀性的研究，采用碱热处理对纯镁进行表面改性获得了比较好的效果 [1] 。此 外，他们还对镁的细胞毒性和血液相容性进行了初步的研究，发现经过热处理－硬脂酸表面 改性的纯镁溶血率可以达到医用材料血液相容性要求[2] 。德国Hannover 医学院Witte 的研究 小组将四种镁合金：AZ3 、1AZ91、WE43 、LAE442 植入豚鼠大腿骨内，研究镁合金在生物 体内的腐蚀行为及合金和骨组织的相互作用，证实了镁合金有较好的生物相容性和骨诱导能 力[3] 。日本结构工程学会的Wen 和高级工业科学技术学会的Yamada 等人研究了通过粉末冶 金法制造出了力学性能优于普通纯镁的多孔镁材[4] 。 本课题通过从冶金学和生物学两方面综合考察各种元素的作用，最后选定了钙这种既能 提高合金力学性能又能保证合金生物相容性的元素作为合金元素熔炼出了四种不同含钙量 的镁钙合金。经过热处理后对合金的相关力学性能进行了测试，确定了最适合作为硬组织修 复材料的合金成分。 2. 实验过程 2.1 镁钙合金的熔炼 2.1.1 合金元素的确定 从生物学上考虑，人体必需的元素中，金属元素共有14 种，它们分别是：钾、钠、钙、 镁、铁、钼、钒、锌、铜、铬、钴、锰、锶、锡、镍，其中钾、钠、钙、镁的含量占人体内 金属元素总量的99 ％以上。虽然这些金属元素都是人体能接受的，但钼、钒、铜、铬、钴、 锶、锡、镍等元素都是人体内的痕量元素，人体对它们的耐受量非常小，而且它们在人体内 的含量过多时会对人体造成严重的伤害，因此无法作为合金元素考虑，而人体每天对钙元素 的耐受量是相当大的，正常摄取量就高达1100mg。钙能维持骨骼的强度，血液中也含有少 - 1 - 量的钙，它在血液凝固时起重要的作用。钙还可以与钠、钾一起协调神经和肌肉的活动，并 能起到将人体中的一些有毒有机物转化为无毒的作用。在冶金学方面，钙是镁合金中一种重 要的合金元素。钙的添加能提高镁合金在空气中的燃点，有效的阻止在熔炼过程中的燃烧； 也可以显著提高镁合金在高温下的抗氧化性；少量的钙能显著细化镁合金的组织，提高镁合 金的的高温性能及蠕变性能；钙还可以降低镁合金的微电池效应，有效提高镁合金的耐蚀性。 所以最后选定钙作为合金元素。 2.1.2 熔炼原料与设备 ⑴镁锭（国标二级）[5]，中国有色金属总公司华北经销社提供； ⑵钙块（纯度99.8wt. ％），兰州华西研究所提供； ⑶高纯氩气（纯度99.999%，执行标准GB/T 4842-1995 ），天津市泰亨气体有限公司提供； ⑷ZRRL-M8 型真空电阻炉； 2.1.3 熔炼工艺 -3