力学环境对镁合金降解的定性影响

刘迎娟，余志永，韩彦龙

( 1. 华北理工大学 迁安学院，河北 唐山 064400；2. 承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德067000)

力学环境对镁合金降解的定性影响

刘迎娟1，余志永1，韩彦龙2

( 1. 华北理工大学 迁安学院，河北 唐山 064400；2. 承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德067000)

镁合金降解；力学环境 ；定性试验

与其他金属材料相比，镁合金因其良好的生物相容性和生物可降解性等特性而被广泛应用于骨折和骨骼缺损的治疗中。本研究通过选取一种综合性能较好的镁合金材料，制备成镁合金螺钉，在模拟体液的环境下施加不同力学环境，通过测量产生氢气的体积，定性分析了镁合金材料在不同力学环境下的降解规律，为镁合金的后续研究奠定基础。

镁合金具有良好的力学相容性[1]，是一种革命性的可生物降解医用金属材料[2]，在骨折和骨骼缺损的治疗中具有明显的优势[3,4]。在治疗过程中，镁合金骨内固定材料处在复杂的力学环境中[5,6]，因此研究在复杂力学环境下镁合金的降解规律具有重要意义。镁合金在降解过程中发生电化学反应生成氢气[7]，因此可以通过产生的氢气体积来反映镁合金的降解程度。本研究共设置5个试验组，分别为无特定条件对照组①、外部加压0.1 M Pa组②、外部加压0.2 M Pa组③、0.2 N剪切力猪股骨组④、0.3 N剪切力猪股骨组⑤，每间隔一定时间记录产生氢气的体积，于试验结束后通过物体变形图像捕捉系统观察镁合金螺钉表面形貌。

1 试验材料的选取和方法

1.1 样品制备

镁合金在生物体内会发生降解，产生镁离子及其他金属离子，故本研究从生物相容性的角度出发，初步筛选出3种镁合金材料-A0(Mg-Zn)、A1(Mg-Zn-Zr)，A2(Mg-Zn-Ca)，其合金成分见表1。

表1 镁合金成分表/%

对A0、A1、A2 3种镁合金材料进行降解性能实验，将3种合金材料浸泡在模拟体液(SBF)中，保持恒温37 ℃ ，每隔12 h将合金材料取出称重1次。培养液是根据人体化学成分、PH值等调配而成。通过观察3种合金的降解情况选取试验所用材料，试验所得3种镁合金失重与腐蚀速率随浸泡时间变化的曲线如图1、图2所示。

由图中可以看出：在浸泡初期，3种合金的失重较大，腐蚀较严重；随浸泡时间的延长，腐蚀速率均呈降低趋势，腐蚀趋于平缓。在同样的浸泡时期内，合金A1和A2的失重均明显低于合金A0，且腐蚀速率最慢的为A1合金，故选取A1合金作为试验材料。

图1 镁合金失重与浸泡时间关系图

图2 镁合金腐蚀速率与浸泡时间关系图

1.2 试验材料和试验方法

试验材料：由A1镁合金材料制作的直径φ3.5 mm的镁合金螺钉10个、新鲜猪股骨、注射器5个(60 ml、用作统一规格密闭容器)、橡皮筋5个(假设每条提供0.1 N剪切力)、模拟体液的培养液若干，如图3所示。

图3 试验材料

试验方法：

(1)设置对照组①：注射器中注入40 ml培养液，将2枚螺钉悬挂放入注有培养液的1号注射器里，不施加载荷。

(2)设置试验组②、③：注射器中注入40 ml培养液，将2枚螺钉悬挂放入注有培养液的2号和3号注射器里。用压力机对2号注射器施加0.1 MPa的固定载荷，对3号注射器施加0.2 MPa的固定载荷。

(3)设置试验组④、⑤：截取小段猪股骨2段，分别将螺钉拧入其中，用橡皮筋对螺钉分别施加0.2 N、0.3 N的剪切力，然后分别放入注有40 ml培养液的4号、5号注射器里。各组试件如图4所示，压力机加载如图5所示。

图4 5组试件图

图5 压力加载图

将5组试件置于相同室温环境下，根据人体正常活动规律，于白天每隔3 h记录各组镁合金的降解情况(注射器中气体产生量)，并于试验结束后通过物体变形图像捕捉系统观察镁合金表面降解情况。

2 试验结果与讨论

试验重复2次，第1组试验结果如图6、图7所示。通过对比试验组②、③与对照组①的统计结果发现，加压情况下，镁合金降解产生氢气明显增加，而试验组②与试验组③的对比则不明显，可以发现外界压强可以影响镁合金的降解速度。通过对比试验组④、⑤与对照组①的统计结果发现④、⑤降解产生的氢气体积较小，这可能是由于裸露于模拟体液的镁合金螺钉表面积较小，而试验组④与试验组⑤的对比发现，相对较大的剪切力促进了镁合金降解速率。

图6 一段时间后各组产气量对比图

图7 产气量相对于对照组的增量变化图

镁合金体内外的降解又称腐蚀，镁合金在模拟体液中最常见的腐蚀是电偶腐蚀、点蚀、腐蚀疲劳及冲蚀腐蚀[8]。试验结束后通过物体变形图像捕捉系统观察镁合金表面腐蚀概貌，其试验结果如图8、图9所示。通过对试验组②与试验组③的形貌对比发现，试验组③的腐蚀比试验组②明显；通过对试验组④与试验组⑤的形貌对比发现，试验组⑤比试验组④腐蚀明显。

图8 镁合金表面腐蚀概貌

为保证试验结果准确性，重复进行一次，试验材料及试验方法不变，所得试验结果如图9所示。

图9 一段时间后各组产气量对比图

试验结果与第1组试验基本一致，但是由试验组②与试验组③的统计结果对比发现，试验组③所产生氢气的体积要小于试验组②产生氢气的体积，但从腐蚀形貌可以看出试验组③的腐蚀程度大于试验组②，所以分析试验结果的差异可能是由于操作误差所致。

3 结论

(1)力学环境会影响镁合金降解速率，主要表现：压强越大，降解速率越快；剪切力越大，降解速率越快。

(2)试验结果证明，力学环境对镁合金的降解产生了影响，该项试验为生物可降解镁合金对修复骨折的研究奠定了一定基础。

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Qualitative Influence of Mechanical Environment to Degradation of Magnesium Alloys

LIU Ying-juan1, YU Zhi-yong1, HAN Yan-long2

(1.Qian'an College, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 064400,China; 2. Department of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College, Chengde Hebei 067000, China)

magnesium alloy; mechanical environment; qualitative experiment

Compared with other metal materials,magnesium alloys are widely used in treatment of fracture and bone defect because of their good biological compatibility and biodegradability.Magnesium alloys with better combination properties were selected in research,and the magnesium alloys were made into screws.Applying different mechanical environment in simulated body fluid environment,the degradation rules of magnesium alloys materials in different mechanical environment were analyzed qualitatively by measuring the volume of hydrogen. Finally,it lays the foundation for further research of magnesium degradation.

2095-2716(2016)02-0010-04

TG146.22

A