可降解生物醫(yī)用Zn-Mn系合金的性能對(duì)比研究

前言

在過(guò)去的二十多年的時(shí)間里，對(duì)于可降解醫(yī)用金屬材料的研究主要集中于鎂合金以及鐵合金，不過(guò)這兩種合金材料在臨床方面的研究都受到諸多限制。由于鎂合金材料的腐蝕速率過(guò)快，在未完成服役要求時(shí)，材料就已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕，失去其作為支撐的作用；對(duì)于鐵合金而言，腐蝕速率比較慢，將材料植入體內(nèi)需要二次手術(shù)取出，并且鐵合金的腐蝕產(chǎn)物存在生物相容性等問(wèn)題，因此這兩類(lèi)合金在臨床上的應(yīng)用都受到一定限制。然而對(duì)于鋅和鋅合金而言，鋅的標(biāo)準(zhǔn)電極電位位于鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位和鐵的標(biāo)準(zhǔn)電極電位之間，腐蝕速率適中，并且擁有良好的生物相容性，因此鋅和鋅合金有望成為新的生物醫(yī)用可降解金屬材料。

Zn-Mn合金

Mn是人體必需的微量元素之一，是人體免疫系統(tǒng)和多種酶所必需的微量元素，并且Mn還可以促進(jìn)人體骨骼的生長(zhǎng)發(fā)育。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著加入 Mn含量增加，合金材料的抗拉強(qiáng)度略有下降，但延伸率卻有顯著提高。

本文通過(guò)熔煉鑄造的方法制備了不同含量的 Zn-Mn 系合金材料，研究了Mn含量對(duì)合金材料微觀組織、力學(xué)性能、腐蝕性能、細(xì)胞相容性以及抗菌性能的影并與純鋅金屬材料做了對(duì)比，選出最優(yōu) 的 Zn-Mn 合金材料比例。

Mn對(duì)Zn合金微觀組織的影響

物相組成成分分析（XRD）

測(cè)試試樣是從制備的 Zn-Mn 系金屬合金錠中截取，通過(guò)打磨、拋光、超聲等處理方式，得到最終測(cè)試試樣。隨著 Mn 元素的增加， MnZn13 相的衍射峰也不斷增強(qiáng)，這就說(shuō)明我們通過(guò)鑄造的方式成功制備出不同Mn含量的 Zn-Mn 系合金材料。

金相微觀組織分析

圖3-3為不同 Mn 含量的 Zn-Mn 系合金材料光學(xué)顯微鏡金相組織圖?？梢钥闯?，純鋅金屬材料的金相組織主要為片狀的等軸晶組織，而 Zn-Mn 系合金材料的金相組織主要為針狀組織，并且隨著 Mn 含量的增加，合金材料的針狀組織含量增加。相比于純鋅金屬材料，Zn-Mn 系合金材料的晶粒較為細(xì)小，并且隨著加入 Mn 含量的增加，Zn-Mn 系合金材料的晶界越明顯，晶粒越細(xì)小。

圖 3-4 是 Zn-Mn 系合金材料的 EDS 圖，從圖中的元素分布可以看出，Mn 元素均勻分布在合金材料表面，沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。結(jié)合圖3-2 的Zn-Mn二元相圖以及圖 3-1 的 Zn-Mn 合金 XRD 圖，可以得出 MnZn13 相先于純鋅析出，并均勻分布在合金材料中，因此制備的 Zn-Mn 系二元合金材料成分均勻。

Cu對(duì)Zn合金力學(xué)性能影響

顯微硬度分析

與純鋅金屬材料相比，Zn-Mn 系二元合金材料的顯微硬度整體高于純鋅金屬材料，隨著Mn含量的增加，合金材料的顯微硬度表現(xiàn)為增大的趨勢(shì)，這是由于Zn-Mn二元合金材料中存在MnZn13相，形成了第二相強(qiáng)化，并且MnZn13相均勻分布在基體表面，形成彌散強(qiáng)化，由于 MnZn13 相先于純鋅析出，并且均勻分布在基體的晶界處，形成了晶界強(qiáng)化，因此Zn-Mn系合金材料的顯微硬度隨著Mn含量的增加而增大。

拉伸性能分析

與純鋅金屬材料相比，制備的Zn-Mn合金材料的拉伸性能(抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率）都有一定的提升，但是隨著Mn含量的增加，合金材料的拉伸力學(xué)性能逐漸降低。Zn-Mn系合金材料的綜合力學(xué)性能的增強(qiáng)是因?yàn)楹辖鸩牧暇Ы绯鑫龀隽?MnZn13相，并且均勻分布在晶界處形成晶界強(qiáng)化。Zn-0.1Mn的拉伸性能(抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率）最優(yōu)。

SEM拉伸斷口分析

圖3-6為純鋅與不同Mn含量的Zn-Mn系合金材料的拉伸斷口形貌圖。純鋅金屬材料在斷裂之前幾乎沒(méi)有明顯的變化，是典型的脆性斷裂形貌，并且存在一定量的穿晶斷裂。

相比于純鋅金屬材料，Zn-Mn 系合金材料的延伸率都有所增加，合金材料的斷口形貌如圖 3-6(b)(c)(d)所示，表明合金材料存在一定的韌性斷裂，由于合金材料晶界處存在以金屬鍵結(jié)合的相MnZn13化合物，且金屬鍵結(jié)合能力比較弱，因此合金材料的斷裂方式主要表現(xiàn)為脆性斷裂。

Cu對(duì)Zn合金體外腐蝕性能影響

電化學(xué)腐蝕性能分析

相比于純鋅金屬材料，Zn-Mn系合金材料中的Zn-0.1Mn合金材料的年腐蝕速率高于純鋅金屬材料，說(shuō)明Mn元素的加入，能夠提高純鋅金屬材料的腐蝕速率。隨著加入Mn含量的進(jìn)一步增加，導(dǎo)致MnZn13相與基體材料的電位差變得明顯，造成合金材料的腐蝕速率增加。

體外浸泡實(shí)驗(yàn)-失重率分析

與純鋅金屬材料相比，Zn-Mn系合金材料整個(gè)浸泡周期的失重率都比純鋅金屬材料低，這是因?yàn)楹辖鸩牧现写嬖贛nZn13相，由于腐蝕是從晶界開(kāi)始的，并且MnZn13相在晶界處析出，降低了合金材料晶界處的腐蝕位點(diǎn)，從而降低了合金材料的失重率。

體外浸泡實(shí)驗(yàn)-腐蝕速率分析

純鋅金屬與Zn-Mn系合金材料的年腐蝕速率可見(jiàn)下圖，其中Zn-0.5Mn合金材料的年腐蝕速率最低，這是因?yàn)樵诮莸倪^(guò)程中，腐蝕產(chǎn)物在一次附著在材料表面，減少了材料與溶液的接觸面積，從而降低材料的腐蝕速率。

小結(jié)

(1) 加入Mn元素后，相比于純鋅金屬材料，合金材料的金相顯微組織得到一定的改善，細(xì)化了合金材料的晶粒尺寸

(2) 相比于純鋅金屬材料，Zn-Mn系合金材料的力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度，延伸率和顯微硬度)有所提升。根據(jù)合金材料各項(xiàng)力學(xué)性能結(jié)果顯示，Zn-0.1Mn 的力學(xué)性能最好。

(3) 電化學(xué)腐蝕性能和體外浸泡實(shí)驗(yàn)，與純鋅金屬材料相比，Zn-M系合金材料失重率和腐蝕速率都有所降低。

文獻(xiàn)來(lái)源：

《可降解生物醫(yī)用 Zn-Mn 系、Zn-Cu 系合金的制備及其性能研究》

桂林理工大學(xué) - 龍舟玲

產(chǎn)品推介

ZnCuMn 球形鋅合金粉末

球形鋅銅錳ZnCuMn合金是一種具有良好生物相容性的可降解金屬材料，其中銅元素在固溶強(qiáng)化的過(guò)程中能提高合金強(qiáng)度，錳元素的添加使材料的延伸率更好，可促進(jìn)骨形成和調(diào)節(jié)鈣離子代謝。鋅銅錳合金能在抑菌，血管生成或內(nèi)皮細(xì)胞調(diào)節(jié)方面起到積極作用。