生物醫(yī)用鋅銅合金性能研究進(jìn)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(lái)的研究熱點(diǎn)，在血管腔內(nèi)支架、骨科及口腔科內(nèi)固定材料領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)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(xì)化晶粒，顯著提高鋅合金強(qiáng)度，添加 Mn 元素則可在塑性變形中細(xì)化晶粒，可提高鋅合金的延伸率。力學(xué)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(duì)力學(xué)性能進(jìn)行總結(jié)，分析Cu元素對(duì)于鋅合金力學(xué)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(jī)械變形等，如圖1所示。

圖2總結(jié)了各種加工工藝對(duì)鋅合金力學(xué)性能的影響，可以看出變形加工是力學(xué)性能的一個(gè)關(guān)鍵影響因素，不同變形加工都顯著提升了鋅合金的強(qiáng)度。而鑄態(tài)鋅合金的力學(xué)性能較低，經(jīng)過(guò)變形加工才能生產(chǎn)出具有足夠強(qiáng)度和延展性和強(qiáng)度的鋅合金，以滿足力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)。

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

制備方式也會(huì)影響鋅合金的降解速率。以表2中Zn-3Cu為例，相對(duì)于鑄態(tài)而言，熱軋?zhí)岣吡撕辖鸬膹?qiáng)度、塑性以及降解速率，冷軋則進(jìn)一步提高了合金的強(qiáng)度、塑性以及降解速率。其主要機(jī)理是通過(guò)熱軋及冷軋細(xì)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(shí)現(xiàn)原位合金化，并且可以直接得到復(fù)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(shù)。

增材制造技術(shù)被認(rèn)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(shù)難度和成本，同時(shí)增材制造中的選擇性激光熔化（SLM）等技術(shù)允許快速凝固，從而可以提高鋅合金性能。

鋅銅合金力學(xué)性能探討

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

圖3展示了不同合金體系下的強(qiáng)度范圍?？梢钥吹?，合金的合理加入具有一定強(qiáng)化作用，且通過(guò)合金化與變形處理相結(jié)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(xué)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(qiáng)化作用最為顯著。

Zn-Cu 合金是一種常見(jiàn)的鋅基合金，其中Cu元素可以提高合金的抗蠕變性能、強(qiáng)度。如圖 4（i）所示，Zn-Cu合金經(jīng)過(guò)熱軋等變形工藝可形成均勻分布的CuZn5 相，同時(shí)圍繞硬質(zhì) CuZn5相形成的變形區(qū)加速了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，細(xì)化 Zn 基體晶粒，從而提高鋅合金力學(xué)性能。

如圖4a所示，隨著 Cu 含量增加，鋅合金強(qiáng)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(qiáng)強(qiáng)度，同時(shí)利用釘扎作用使得晶粒細(xì)化，從而既提高強(qiáng)度，又保持塑性。

鋮豐材料經(jīng)驗(yàn)延伸

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

鋅合金的顯微硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(shí)達(dá)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(qiáng)烈和廣譜殺菌能力，相關(guān)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，銅元素的加入，可以使植入物導(dǎo)致的感染發(fā)生率會(huì)大幅度降低。并且在材料性能方面起到了細(xì)化晶粒的作用，合金的綜合力學(xué)性能得到了提高（屈服強(qiáng)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。