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近20年來,鎂及其合金由于具有密度低、比強度高、可鑄造性良好、焊接性優(yōu)良等特點以及適當的價格,在汽車、金屬植入體和電子設備等方面得到廣泛的應用。尤其是鎂及其合金的不耐腐蝕性和生物可降解性可解決患者二次手術移除植入體的痛苦,因此鎂及其合金在再生醫(yī)學中具有巨大的應用前景。然而,要實現鎂及其合金在再生醫(yī)學生中的廣泛應用,還需要克服許多難題,例如強度低,在人體內腐蝕快導致H2含量超標PH增加引起的組織壞死等。因此,亟需通過合金化、微結構調控等方法開發(fā)生物金屬植入體用鎂合金。其中細化晶粒、引入孿晶和優(yōu)化織構等微結構調控方法非常有助于優(yōu)化力學性能和腐蝕性能。
近日,伊朗謝里夫理工大學Reza Alizadeh教授和英國南安普頓大學Terence G. Langdon教授合作發(fā)表了鎂合金腐蝕方面的綜述,首先概述了鎂合金熱加工變形后的織構和孿晶特征、鎂合金的腐蝕機制、鎂合金特征晶面的表面能和溶解速率,然后綜述了織構對鎂合金溶解速率、腐蝕膜、腐蝕形貌和生物兼容性等的影響,孿生特征對腐蝕膜、腐蝕形貌和腐蝕各向異性等的影響,最后為鎂合金耐腐蝕性的調控提供了方向。
織構是變形鎂合金的重要特征。不同的織構特征對鎂合金的腐蝕行為產生重要的影響。理論上,鎂合金中{10-10}柱面織構和{11-20}織構比{0001}基面織構的溶解速率高了18-20倍。實際上,腐蝕行為是多方因素綜合作用的結果。當表面既有柱面織構和基面織構時,與僅有柱面織構相比,由于電偶腐蝕的作用耐腐蝕性降低。腐蝕膜對鎂合金的腐蝕行為具有重要的影響,形成腐蝕膜的特征又取決于織構特征。表1總結了不同腐蝕介質中織構對鎂及其合金腐蝕膜的影響。由表1可知,基面織構相比柱面織構和錐面織構具有更薄的氧化膜,但是穩(wěn)定性和保護效率更好。腐蝕形貌與織構也有很強的相關性,高指數織構的腐蝕形貌呈現梯田狀,低指數織構的腐蝕形貌表現出絲狀。
表1 不同腐蝕介質中織構對鎂及其合金腐蝕膜的影響
有報道研究了生物相容性與HCP結構金屬織構的相關性,織構對生物相容性的影響不能很好地檢測,在鎂及其合金中的影響也不明確。有研究者認為HCP結構金屬,例如鈦及其合金,(0002)基面織構與細胞更容易結合,而有的研究結果表明由于(10-10)柱面織構具有低的表面接觸角度,更容易潤濕/親水性,相比(11-20)織構具有更好的細胞結合性。相比之下,在鎂合金的一些報道中,純鎂的生物相容性對織構不敏感??梢姡{控織構是有效地調控鎂合金耐腐蝕性、力學性能和同時影響其綜合生物相容性的方法。
孿生作為鎂合金重要變形機制之一,在塑性變形過程起到重要作用。大量研究表明,在材料表面存在孿晶時會降低鎂合金的耐腐蝕性,加劇晶間腐蝕。有趣的是,有些相反的研究結果表明,孿生會形成相比于基體更多氧化膜有利于提高鎂合金的耐蝕性,但是這些相反的研究結果主要是針對不同的合金體系。表2總結了不同合金體系鎂合金中孿生對腐蝕性的影響。Mg-Y、AZ80和EW75鎂合金中孿生有利于提高耐腐蝕性,普通AZ31系列鎂合金中孿生對腐蝕性產生負面影響,ZK60系列鎂合金中孿生對腐蝕性的影響與孿晶含量有關。此外,也有研究指出孿生對鎂合金具有減弱“腐蝕各項異性”的作用。在含重鉻酸鹽的溶液中孿晶的形貌對鎂合金腐蝕擴展有重要影響。交叉孿晶促進腐蝕發(fā)生,同時粗大孿晶會改變腐蝕擴展路徑。
表2 不同合金體系鎂合金中孿生對腐蝕性的影響
鎂及其合金作為活性強的金屬,其較快的腐蝕速率限制了其在大部分領域的應用。但在再生醫(yī)學中,由于鎂及其合金具有腐蝕性差和生物相容性好的特點,具有巨大的應用前景。該領域亟需解決腐蝕速率過快、腐蝕產物濃度過高引起細胞壞死的問題。添加涂層、合金化、微結構調控都是控制腐蝕速率切實可行的方法,其中織構和孿晶對鎂及其合金的腐蝕速率的調控尤為重要。本文為研究者在鎂及其合金腐蝕行為研究和調控方法上提供參考,促進鎂合金在更多的領域開展實際應用。
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