镁合金植体在模拟体液的侵泡腐蚀研究

大学毕业设计 论文 开题报告表 课题名称镁合金植体在模拟体液的侵泡腐蚀研究 课题来源课题类型指导教师 学生姓名学 号专 业材料成型及控制工程 课题意义课题意义 镁及候合金作为植入材料有明显的优势 1 其密度为1 744左右 与人骨的密质骨 3 g cm 密度 1 75 相当 2 比强度和比刚度高 杨氏模量约为45GPa 更接近人骨的弹 3 g cm 性模量 20GPa左右 可减小应力遮挡效应 3 镁是人体内仅次于钙 钠和钾的常量 元素 成人每人每日需要 量超过30mg 生物安全性较高 所以镁及其合金适宜制作人工骨或 骨内固定物等 同时研究中发现 纯镁及其合金在富含有的人体生理环境中耐蚀性更差 CL 因而如果利用镁及合金的易腐蚀性 将其发展成为可降解金属植入材料 通过腐蚀逐步被机 体吸收代谢 将更适合于制备短期或暂时植入器件 将镁及合金作为生物可降解材料是一个 崭新的研究思路 所以通过镁合金植体在模拟体液的侵泡腐蚀的研究 了解镁合金在模拟体 液中的腐蚀规律 以期为发展高抗腐蚀的镁基生物材料和可控腐蚀降解的镁基生物材料提供 理论基础 国内外发展状况国内外发展状况 近年来 美国 以色列 日本等国家在新型镁合金的开发 镁合金的表面改性等方面投入大 量的人力物力 尤其值得一提的是日本在1999年 9月启动的 高级镁合金科技研究平台 项目 该项目为期 4年 拟在 新合金的开发 表面改性 生态材料 和 镁合金的新功能与应用 个方面对镁及其合金进行研究与开发 其中 镁合金应用于生 物材料的研究作为该项目的一个重要分支已取得了一定的成果 该项目研究的目的是要满足 日本社会人口老龄化对生物材料的大量需求 本文对镁和镁合金在水溶液中的腐蚀行为以及 医用镁和镁合金表面改性的研究进展进行简要的评述 本研究课题的主要目的及内容及试验方案本研究课题的主要目的及内容及试验方案 课题研究目的课题研究目的 通过研究镁合金植体侵泡在模拟体液的腐蚀情况了解其腐蚀的机理和影响腐蚀因素 研究 可以控制镁合金腐蚀速率的方法 来提高镁合金的耐蚀性或可控的降解性 本课题的研究内容本课题的研究内容 1 镁及镁合金在镁及镁合金在SBFSBF溶液中的腐蚀行为溶液中的腐蚀行为 纯镁及镁合金产生腐蚀的原因是相似的 一般是因为杂质和合金元素的引入 使得活性很高 的镁基体与杂质形成电偶腐蚀 但在大气环境中和水溶液中镁及镁合金的腐蚀过程略有差异 后者几乎为纯氢去极化过程 因此对氧的浓度不敏感 镁在水溶液中腐蚀时 总的腐蚀反应 为 Mg 2 2 H O 2 Mg OH 2 H 分布反应为 Mg 2 2 Mg e 2 2 2 2 H O e 2 H OH Mg 2 OH 2 Mg OH 2 SBFSBF溶液中溶液中PHPH值对腐蚀行为的影响值对腐蚀行为的影响 研究表明 镁及镁合金在水溶液中的腐蚀与溶液的PH值有密切的关系 在酸性或中性溶液 中 镁被腐蚀生成 而在PH值为11 12的碱性溶液中 镁及镁合金表面能生成较为稳定 2 Mg 的钝化膜 由于镁在溶液中被腐蚀后 最终产物大多数为碱性的 的溶 2 Mg OH 2 Mg OH 解会导致溶液的PH值发生很大的变化 进而对腐蚀速率产生显著的影响 人体的正常体液 是一个PH值十分恒定的腐蚀环境 PH 7 4 因此 在将镁及镁合金作为生物材料而研究其 腐蚀行为时 在缓冲溶液或仿生溶液中研究镁的腐蚀行为 能更准确地模拟镁在人体中的腐 蚀情况 3 杂质元素对镁及镁合金腐蚀行为的影响杂质元素对镁及镁合金腐蚀行为的影响 由于镁及镁合金在水溶液中的腐蚀主要是因为杂质元素 合金元素与活泼的基体形成的电偶 腐蚀 因此镁和镁合金对杂质的含量十分敏感 事实上 镁及镁合金中很多杂质元素如 Fe Cu Ni都有一个纯度极限 当镁和镁合金基体中杂质的含量超过其纯度极限时 耐腐蚀 性能将会急剧下降 4 镁和镁合金的腐蚀产物膜镁和镁合金的腐蚀产物膜 由于镁的表面氧化膜是决定腐蚀动力学的关键 因此对膜本质的研究便成了是否能够有效控 制腐蚀的前提 纯镁的化学性质极为活泼 将其放入水溶液中 表面立即会形成很薄的氧化 膜 氧化膜的结构可分为 3层 最外层是板块状结构 2um 中间一层为致密层 20 40nm 第三层为蜂窝状 0 6um 其中 中间的致密层对基体有一定的保护作用 是控制腐蚀快慢 的关键 纯镁腐蚀产物膜的物相随溶液中离子的不同而有所变化 如在含有离子的腐蚀 Cl 液中 腐蚀产物膜除了和MgO外 还有 3和 2 镁合金 2 Mg OH 2 Mg OHCl 2 H O 2 MgCl 2 H O 表面的腐蚀产物膜除了跟溶液中的离子种类有关外 还跟本身所含合金元素的种类有关 并 且表面氧化膜结构也与纯镁的3层结构有所不同 5 镁镁和和镁合金的表镁合金的表面改面改性性技技术术 由于镁和镁合金的化学活性强 表面氧化膜又疏松质脆 不足以形成能阻止腐蚀进一步进行 的保护膜 因此 要使镁及镁合金替代现有金属生物材料成为可能 必须对其进行表面改性 以满足临床应用对生物材料耐蚀性能的苛刻要求 通过碱液对镁及镁合金表面改性 沿着 在镁合金合金表面化学合成经基磷灰石涂层的思路 可使镁及镁合金表面改性沉积生物陶瓷 的方法成为可能 可采用微弧氧化法在镁合金表面制备陶瓷化涂层来提高镁合金的耐蚀性 实验方案实验方案 实验一 镁合金在实验一 镁合金在 SBF 溶液的腐蚀溶液的腐蚀 实验内容 研究 SBF 溶液 PH 对镁合金腐蚀速率的影响 以及镁合金的腐蚀产物成分和腐 蚀形貌 评定标准 浸泡腐蚀实验在37 进行 每个试样分别浸泡于500 mL SBF 溶液中 浸泡时 间为2 4 8 16 及214d 在每一个时间段分别测定试样质量 溶液pH 值 腐蚀产物的收集以及合金表面的观察 实验目的 了解镁合金在 SBF 溶液中腐蚀速率和和 PH 值的关系 PH 值随时间的关系 各个时间段合金表面腐蚀产物的成分及其对合金腐蚀的影响 物质条件 实验 测试 数据处理手段等 物质条件 实验 测试 数据处理手段等 1 镁合金 至少 2 种 2 配备 SBF 溶液 热碱溶液 3 场发射扫描电镜 表面形貌 光学显微镜 侵蚀的前后截面形貌 X 射线衍射仪 相结构 毕业设计 论文 进程安排毕业设计 论文 进程安排 序号序号 设计 论文 各阶段名称设计 论文 各阶段名称 日期 教学周 日期 教学周 1 查阅资料 0 2 周 2 制定试验方案 写开题报告 2 3 周 3 试验准备工作 3 4 周 4 根据试验计划实验 4 11 周 5 性能检验及作用原理研究 11