文摘

锌和锌基合金表现出生物安全和生物降解,视为候选生物医学植入物。锌- 0.02 wt。%毫克(锌- 0.02毫克)、锌- 0.05 wt。%毫克(锌- 0.05毫克),锌- 0.2 wt。%毫克(锌- 0.2毫克)线(Φ0.3毫米)在这项工作准备精密生物医学设备。Zn-xMg合金的Mg,晶粒尺寸减少以及Mg的发生₂锌₁₁在晶界。热挤压、冷拔和介绍了退火处理来进一步细化晶粒尺寸。此外,热挤压和冷拔Zn-xMg合金的抗拉强度提高240 - 270 MPa,伸长也增加,但仍低于10%。退火处理可以提高锌合金的延伸率12% - -28%,但抗拉强度降低。此外,Zn-xMg电线显示增加降解率与Mg。研究结果可能会提供一个潜在的Zn-xMg合金导线为生物医学应用的可能性。

1。介绍

生物医学设备以来一直重视在近几十年来提高了生活水平。因此,Mg-based、锌基和Fe-based生物可降解金属(BMs)已经成为研究热点地区由于其可接受的机械性能,生物相容性良好的生物降解性,适合生物医学应用(1]。

Fe-based合金具有更高的力学性能类似于不锈钢植入物(2]。然而,Fe-based BMs的降解率如此之慢体内可能阻碍骨愈合过程(3]。此外,铁磁性的行为破坏了兼容性的磁共振成像(MRI) (4]。此外,Mg-based合金进行了BMs由于其良好的生物相容性和合适的力学性能接近人类骨(1,2,5,6]。镁离子发挥积极作用在促进成骨细胞增殖和细胞生存能力7]。然而,一个潜在的问题是,快速降解速率破坏移植愈合过程中组织的机械完整性(8,9]。

探索合适的BMs中度退化率和生物力学相容性,锌和锌合金为生物医学应用研究[10- - - - - -16]。锌元素也是人体必需的微量元素,它参与生命活动作为主要成分为巨大的大分子和酶在生物膜形成17,18]。此外,锌有标准电极电位(vs标准氢电极)(-0.7618 V)之间的毫克(-2.372 V)和铁(-0.447 V) (19),表明中度退化的锌BMs。鲍恩et al。20.]研究了纯锌线植入大鼠动脉的6个月,发现纯锌丝有一个合适的降解率和良好的生物相容性。然而,铸的纯锌报道有限的延伸率和抗拉强度(21]。不良的缺点值得解决的塑性和强度将会扩大临床应用。普通金属材料通过合金化和变形强化和增塑的结合适当的热处理。李等人。22)报道,锌合金的力学性能提高了镁、钙、和Sr合金和变形过程,导致极限抗拉强度和伸长率达到约250 MPa和7%,分别。Zn-Mg合金被广泛研究在生物可降解的锌合金(2]。同时,我们的研究小组准备锌- 1.6%镁合金通过多通道平等通道角紧迫和最佳力学性能的极限抗拉强度423 MPa的屈服强度361 MPa, 5.2%的伸长(14]。此外,已报告Zn-Mg合金良好的生物相容性和骨体内和体外22- - - - - -24]。因此,Zn-Mg合金是值得进一步研究探讨广泛的生物医学应用。

最近,BM电线一直重视临时医疗设备。,BM缝合线是潜在的生物医学应用由于受到广泛接受的生物降解性,生物相容性和力学性能25]。我们研究小组开发镁合金细金属丝的直径小于0.4毫米(26]。郭et al。27]报道纯锌丝缝合的应用程序。Zn-Mg合金直径0.6毫米已经发展为尿路手术(28]。BM细金属丝的直径小于0.5毫米显示出巨大的发展潜力在医学应用26]。适合高强度锌合金线缝合在硬组织应用程序中,需要有一个长寿命退化的2年(25]。此外,探索精密医疗植入物与服务表演,Zn-xMg ( ,0.05 wt。%,0.2 wt. %)合金细线(Φ0.3毫米)是通过热挤压、冷拔、退火处理。不同合金的微观结构和力学性能通过整个过程详细分析和研究。除此之外,在体外介绍了腐蚀实验评估Zn-xMg合金的腐蚀性能的电线。

2。材料和方法

2.1。材料制备

毫克的营养元素被选中作为Zn-xMg合金的合金元素,包括锌- 0.02 wt %毫克(锌- 0.02毫克),锌- 0.05 wt %毫克(锌- 0.05毫克),和锌- 0.2 wt %毫克(锌- 0.2毫克)。纯锌和Zn-xMg合金是由融化的纯锌(99.95%)和纯镁(99.95%)在一个铁坩埚由混合气体保护(有限公司₂和科幻小说₆使用电阻炉)。熔融金属被摔成一个水冷式圆柱铜模具(Φ60毫米)获得铸造锌合金锭。

Zn-xMg合金锭在350°C退火24 h获得均匀的微观结构和热挤压在200 - 300°C和25的挤压速度:1。接下来,热挤压Zn-xMg合金导线的直径Φ3毫米是冷拉Φ0.3毫米的白手起家的绘图机在室温下(RT) (27]。如果在冷拔断,Zn-xMg合金退火在200°C 5分钟。最后,锌合金线(Φ0.3毫米)在不同温度下退火(100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C)对不同时期(10分钟,30分钟)来提高塑性。

2.2。微观结构表征

变形的金相显微组织平行的方向是发现和收集使用光学显微镜(奥林巴斯、新宿、东京、日本)。样本观测之前,地面和抛光镜面,然后蚀刻CrO的混合解决方案₃和钠₂所以₄(10 g CrO₃,0.75 g Na₂所以₄,50毫升H₂O)为6 - 7 s rt的粒度测量线性拦截技术(29日]。此外,铸态合金的各个阶段进行了分析,x射线衍射仪(XRD、D8-Discover,德国的力量)。微观结构合金冷拉电线(Φ0.3毫米)的特点是同步辐射x射线衍射仪(SR-XRD) BL14B1站,SSRF(上海,中国)。此外,第二阶段Zn-Mg合金通过扫描电子显微镜(SEM,西连200)配备一个能量色散谱仪(EDS)。

2.3。机械性能

机械性能,包括极限抗拉强度(ut)屈服强度(y)和伸长断裂(EL),是衡量一个万能材料试验机(CTM4503)。50毫米的电线与衡量大小的中心和两端夹紧20毫米大小的设计拉伸样品。每个样品重复三次的机械测试以恒定拉伸2毫米/分钟的速度在RT。

锌合金的显微硬度导线测量使用显微硬度测试仪(fm - 700, future tech,日本)的加载力100 gf。锌合金的硬度值电线被收集和分析每个样本的基于10个测试点。

2.4。腐蚀行为

腐蚀行为是由电化学测量方法和浸测试在汉克的解决方案 。在这些电化学测量方法,电化学工作站(CHI660E)进行收集开路电位((OCP)和potentiodynamic极化(PP)曲线。经典三电极电池电化学测量应用,工作电极的锌合金导线固定接触面积在汉克的解决方案中,铂电极被设置为一个反电极,和饱和甘汞电极作为参比电极。电化学测量之前,锌合金线在1%硝酸溶液酸清洗去除表面氧化膜。电线插入垂直在汉克的电化学测量解决方案。电线被记录的浸入深度计算暴露的表面积。(OCP曲线测量2400年代在汉克的解决方案。PP曲线进行扫描从南加州爱迪生公司-1.6 V和-0.6 V和SCE的扫描速度1 mV / s。在浸入式的测试中,电线在200 g / L CrO清洗₃解决方案在80°C腐蚀产品去除和干之前和之后的权重。腐蚀速率(CR,毫米/年)指的是计算方程(1)[30.),是初始重量的标本,腐蚀后的标本,剩余的重量是ρ合金的密度(7.138克/厘米吗³锌- 0.02毫克,7.137克/厘米³锌- 0.05毫克,7.129克/厘米³锌- 0.2毫克),是腐蚀时间。腐蚀形态和产品7 d和14 d后浸被扫描电镜配备EDS观察。

3所示。结果与讨论

铸态锌及其合金的化学浓度检测的光学发射光谱仪(OES),展示在表1。OES结果拟合的设计作品,和化学成分波动可能会融化造成的损失。数据1(一)和1 (b)x射线衍射模式的铸态和初拉伸锌合金。初拉伸锌合金线同步散热器(图进行了分析1 (d)),SR-XRD执行阶段识别的精密设备,包括锌合金细电线。锌阶段(JCPDF号04 - 0831)被发现在铸态和初拉伸锌合金而Mg-Zn第二阶段不能发现由于小毫克。锌合金导线的尺寸Φ3毫米,Φ显示在图0.3毫米1 (c),冷拔后显示金属表面的颜色。此外,XRD和SR-XRD模式之间的比较表明,纹理进化是由挤压和冷拔。有一个急剧下降的相对强度(0002)和(101⁻0)飞机,衍射强度(101⁻2)平面增加Zn-xMg合金。相比之下,(101⁻2)平面纯锌转移到最强的峰虽然Zn-xMg合金仍然保持(101⁻1)平面最强峰,证明(101 Mg除了阻碍⁻2)飞机。同时,锌和Zn-xMg合金的衍射峰是转移到低衍射角,表明增加d-spacing由变形引起的。因此,Mg合金在变形锌合金诱发结构进化。

图2展品铸的锌和Zn-xMg合金的微观结构。铸的纯锌的平均晶粒尺寸约为430μ(在图2(一个))。Zn-xMg合金的晶粒尺寸减少与Mg,约250μ锌- 0.02毫克,110μm锌- 0.05毫克,80μ锌- 0.2毫克(在图2 (b)- - - - - -2 (d))。根据Zn-Mg二元相图,Mg在RT锌的溶解度为0.008%,和最大溶解度0.16%至364°C。此外,共晶阶段( )与Mg之外发现超过0.15% (14]。如图2 (e)共晶阶段分布均匀,锌合金- 0.2毫克。在此,EDS的结果(在图2 (f))表明,Mg₂锌₁₁阶段位于晶界的锌合金- 0.2毫克。

图3阐述了锌和Zn-xMg合金的微观结构在热挤压和冷拔。as-extruded颗粒较小的晶粒的形状和大小。分析了粒度分布图形中插入数据3(一个)- - - - - -3 (d)。毫克增加从0.02 wt % 0.2 wt %,晶粒尺寸和相关分布范围明显缩小。as-extruded锌合金的平均晶粒尺寸约为130μ米纯锌,60μ锌- 0.02毫克,40岁μm锌- 0.05毫克,20μ分别m锌- 0.2毫克。此外,54过后没有退火、冷拔材料动态再结晶开始,细等轴颗粒结果见图3 (e),而原来的等轴颗粒as-extruded Zn-xMg转变成纤维结构沿拉伸方向。如红色箭头在图所示3 (h)、中间阶段沿拉伸方向分散在锌合金- 0.2毫克。

图4总结了锌和Zn-xMg合金的力学性能。在图4(一),Mg,铸的锌和Zn-xMg合金显得极其脆弱与降低船和提高机械强度包括生产和y。14 MPa的铸态锌生产最低而生产的锌- 0.2毫克达到最大值74 MPa。加强影响晶粒细化的结果和第二阶段的形成。数据4 (b)和4 (c)显示纯锌和Zn-xMg合金的机械性能在变形过程。热挤压后,晶粒细化和分散毫克₂锌₁₁在Zn-xMg合金导致力学性能的增强,UTS到达 纯锌和 锌- 0.2毫克。as-extruded锌合金有一个 ,晶界滑动可以被激活。因此,as-extruded锌合金有限ELs)低于10%。如图4 (c),有一个上升趋势uts) YSs初拉伸锌和锌合金。ut与Mg除了增加:初拉伸锌丝UTS 130 MPa,和锌线显示了ut - 0.2毫克270 MPa。相比之下,发现没有Zn-xMg ELs的变化在EL纯锌合金但明显增加到18.2%,这是由于动态再结晶在rt,刘等人报道的可塑性的铸态纯锌是由于动态再结晶(31日]。然而,动态再结晶可能受制于固溶体和第二阶段;所以,等轴晶体中不能找到初拉伸Zn-xMg合金。此外,初拉伸Zn-xMg合金线在250°C 10分钟,热处理,退火Zn-xMg合金导线展览综合力学性能与结合强度和可塑性。

此外,研究也调查了退火对微观组织和力学性能的影响。图5展品的微观结构和力学性能退火锌- 0.02毫克。治疗,提高温度和延长时间,变粗糙微观结构调节机械性能。在经济复苏过程中在100°C,硬度似乎给没有明显放缓的迹象以及晶粒尺寸略有增加。当退火温度高于100°C时,显微硬度急剧下降,疲软的遗传结构和发生的等轴的谷物,表明再结晶过程。完成再结晶可能表现在温度高于200°C,显微硬度趋于稳定。图5(j)显示了ut和EL退火结果锌- 0.02毫克。随着退火温度的升高,UTS减少相反的EL的增加。同时,退火持续30分钟,很明显,ut,减少和增加EL。然而,退火30分钟在250°C,过度晶粒粗化也使得损害EL的提高。如上所述,优化参数退火是10分钟在250°C,以及退火锌- 0.02毫克钢丝的生产172 MPa和EL 28.5%。短时高温退火可能完全再结晶和延缓过度晶粒粗化,导致增加的EL退火锌合金线。

数据6(一)-6(h)和7(一)-7(h)的微观结构显示退火锌0.2毫克- 0.05毫克和锌合金线。毫克的增加阻碍了回复和再结晶,并申请退火温度较高。显微组织和显微硬度的进化锌0.2毫克- 0.05毫克和锌合金相似的锌合金- 0.02毫克。微观结构演化过程由复苏,再结晶,粗化阶段。数据6(我),6(j),7(我),7(j)显示硬度和拉伸试验结果。相比之下,退火温度更重要比治疗时间对组织和力学性能的影响。总之,Zn-xMg合金线有一个理想的组织和优化的力学性能在250°C退火后10分钟。退火优化参数,锌合金线- 0.05毫克的ut 204 MPa和EL的16.7%,锌合金线- 0.2毫克的ut 165 MPa和EL 12.3%。,锌合金线- 0.2毫克的可塑性是改善与限制由于更多的中间阶段。

图8展品电化学结果锌和退火Zn-xMg合金冷拉电线,和表2列出了腐蚀速率(CR)计算了电化学方法和体重测量。在最初的沉浸在汉克的解决方案,(OCP值(在图8(一个))稳定约-0.98 V (vs SCE)纯锌,锌-1.02 V (vs SCE)——0.02毫克,-1.02 V (vs SCE)锌- 0.05毫克,和-1.03 V (vs SCE)锌- 0.2毫克,分别。毫克锌合金增加腐蚀倾向。在PP曲线,Zn-xMg合金线表现出较大的腐蚀电流密度( )与Mg。的腐蚀速率的主要评价标准(32]。从电化学腐蚀速率的计算结果,如图8 (b)。锌0.2毫克- 0.05毫克和锌合金线显示快速降解率。此外,长期浸泡测试直接反映植入后的锌合金的降解行为。图8 (c)显示了基于减肥的腐蚀速率曲线测试。锌合金线- 0.2毫克以较高的速度退化而纯锌丝降解率最低。上面提到的反映了Mg合金化是有利于提高锌合金的生物降解性,生物医学应用。

为了进一步评价降解行为,锌的表面形态和Zn-xMg合金线浸后在数据展出9(一个)- - - - - -9 (h)。很少有腐蚀坑中发现7 d和14 d后浸锌电线。Zn-xMg合金导线与Mg除了严重腐蚀。此外,腐蚀产品形态如图10 ()- - - - - -10 (d)。锌合金线- 0.2毫克了腐蚀产物的质量,这是归因于Mg-rich第二阶段的迅速退化。此外,快速形成的腐蚀产物可能会暂时减缓腐蚀速率在PP的初始浸30分钟后测量。因此,对于锌合金线- 0.2毫克,腐蚀速率PP似乎不匹配计算,一个衡量减肥。基于EDS分析,锌合金的腐蚀产物在汉克的解决方案是由锌、O和C元素以及几毫克,Ca, P元素,这表明复杂锌的腐蚀产品是由矿物相(33),这可能是氧化锌,锌₅(有限公司₃)₂(哦)₆、锌₃(PO₄)₂h·4₂啊,和Ca-P化合物(34]。随着浸泡时间延长到14 d,许多更深入、更密集的腐蚀坑出现在Zn-xMg合金,尤其是锌合金- 0.2毫克,如图9 (e)- - - - - -9 (h)。这些结果对应的图8。

4所示。结论

在这项研究中,Zn-xMg ( ,0.05、0.2 wt %)合金导线是准备和调查为生物医学应用。铸态锌和Zn-xMg合金、镁合金导致一个明显的降低平均粒径和提高了拉伸性能。热挤压和冷拔可以大幅度提高Zn-xMg合金的生产和增加ELs)(5 - 8%)在有限的程度上。变形纹理成立生产过程中,尤其是对锌合金和镁合金。退火处理精制Zn-xMg合金的结构进一步提高塑性,但稍微降低强度。优化退火工艺后,锌- 0.05毫克与UTS可取的综合机械性能和EL达到204 MPa和16.7%,分别。此外,基于电化学测量和浸泡测试,Mg合金的降解率增加锌合金线在汉克的解决方案。研究探索Zn-xMg合金细电线为生物医学应用和研究制备过程的影响表现在服务Zn-xMg合金细电线。

数据可用性

数据用于支持本研究的发现是包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。

确认

作者感谢所有工作人员的车站BL14B1 SR-XRD分析(SSRF,中国)。这项工作得到了中国国家重点研发项目(2016号yfc1102402),中国国家自然科学基金(51971062),江苏省的科技项目(没有。BE2019679),苏州的关键行业的技术创新(SYG201904)和江苏省重点实验室开放研究基金的先进金属材料(AMM2021A01)。