生物醫(yī)用鋅銅合金性能研究進展

前言

鋅合金由于其優(yōu)異的降解特性及生物相容性成為近年來的研究熱點，在血管腔內(nèi)支架、骨科及口腔科內(nèi)固定材料領域擁有巨大的應用潛力?；诖罅康臄?shù)據(jù)分析與歸納，發(fā)現(xiàn)在鋅合金中添加 Li、Mg 元素可細化晶粒，顯著提高鋅合金強度，添加 Mn 元素則可在塑性變形中細化晶粒，可提高鋅合金的延伸率。力學性能是目前制約鋅合金發(fā)展的主要因素，因此本文主要對力學性能進行總結，分析Cu元素對于鋅合金力學性能的影響。

傳統(tǒng)醫(yī)用鋅合金制備方式

目前，大部分鋅合金的制備方式為熔煉、鑄造、熱處理、機械變形等，如圖1所示。

圖2總結了各種加工工藝對鋅合金力學性能的影響，可以看出變形加工是力學性能的一個關鍵影響因素，不同變形加工都顯著提升了鋅合金的強度。而鑄態(tài)鋅合金的力學性能較低，經(jīng)過變形加工才能生產(chǎn)出具有足夠強度和延展性和強度的鋅合金，以滿足力學性能標準。

擠壓作為應用最多的一種工藝，也是強化效果最好的工藝之一，對破壞鑄態(tài)組織、細化晶粒、提高金屬材料的力學性能具有很強的作用。拉拔則可能作為擠壓的后續(xù)處理而進一步提高性能，但是也存在相對強度喪失的現(xiàn)象。

制備方式也會影響鋅合金的降解速率。以表2中Zn-3Cu為例，相對于鑄態(tài)而言，熱軋?zhí)岣吡撕辖鸬膹姸取⑺苄砸约敖到馑俾?，冷軋則進一步提高了合金的強度、塑性以及降解速率。其主要機理是通過熱軋及冷軋細化晶粒，并且ε-相含量增多，使得微電池腐蝕增多，使得合金降解速率提高。

基于粉末冶金的制備方式

粉末冶金作為另一種常用的鋅合金制備方式可實現(xiàn)原位合金化，并且可以直接得到復雜形狀制件，其主要加工方式包括粉末冶金與增材制造技術。

增材制造技術被認為是一種理想的生物制造方法，使用它顯著降低了定制化生產(chǎn)的技術難度和成本，同時增材制造中的選擇性激光熔化（SLM）等技術允許快速凝固，從而可以提高鋅合金性能。

鋅銅合金力學性能探討

鋅具有很多優(yōu)點，但鑄態(tài)純Zn的強度和塑性均較低，抗拉強度不超過40MPa，而支架材料的抗拉強度要求為300 MPa。為進一步研究鋅合金的力學性能，本文在表3和表5中總結了近年來純鋅和鋅銅合金的力學性能與降解速率。

圖3展示了不同合金體系下的強度范圍?？梢钥吹剑辖鸬暮侠砑?入具有一定強化作用，且通過合金化與變形處理相結合，使得合金的綜合性能有了顯著提升。從圖3中可以看到，二元合金體系中，滿足力學性能要求的有 Zn-Cu、Zn-Al、Zn-Mg 以及Zn-Li合金體系，且除了 Al 之外，Li、Mg 元素的強化作用最為顯著。

Zn-Cu 合金是一種常見的鋅基合金，其中Cu元素可以提高合金的抗蠕變性能、強度。如圖 4（i）所示，Zn-Cu合金經(jīng)過熱軋等變形工藝可形成均勻分布的CuZn5 相，同時圍繞硬質(zhì) CuZn5相形成的變形區(qū)加速了動態(tài)再結晶過程，細化 Zn 基體晶粒，從而提高鋅合金力學性能。

如圖4a所示，隨著 Cu 含量增加，鋅合金強度隨之增加，這是由于隨著 Cu 含量的增加，CuZn5 第二相增加，可以增強強度，同時利用釘扎作用使得晶粒細化，從而既提高強度，又保持塑性。

鋮豐材料經(jīng)驗延伸

根據(jù)文獻【Cu 含量對Zn-1.2Mg 合金組織與力學性能的影響】記載

鋅合金的顯微硬度、抗拉強度和伸長率隨Cu含量的增加而增加；銅離子析出不多不影響身體健康，Cu 添加量為2.2%時達到最大值，分別為148 HV、227 MPa 和0.32%。

產(chǎn)品推介

球形鋅銅合金粉

球形鋅銅合金粉末是一種具有良好生物相容性的可降解金屬材料，銅離子所具有的強烈和廣譜殺菌能力，相關動物實驗顯示，銅元素的加入，可以使植入物導致的感染發(fā)生率會大幅度降低。并且在材料性能方面起到了細化晶粒的作用，合金的綜合力學性能得到了提高（屈服強度，硬度，延伸率等）。與純鋅相比，鋅銅合金的耐腐蝕性能得到了提高。