硼对医用Ti-22Nb-6Zr记忆合金显微组织及性能的影响

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医用Ti-22Nb-6Zr合金由生物相容性优良的合金元素组成,并具有较低的弹性模量、稳定的超弹性和优良的耐腐蚀性能,是目前较为理想的硬组织承力植入材料。然而,作为骨替代材料,其生物活性并不理想。硼元素是人体组织中不可或缺的微量元素,具有较好的生物活性,对骨组织的代谢和形成具有显著的影响。本研究结合Ti-22Nb-6Zr合金和活性硼元素的优点,用粉末烧结法将硼元素掺杂于Ti-22Nb-6Zr合金中,系统研究了硼元素对Ti-22Nb-6Zr合金微观组织、力学性能、超弹性、耐腐蚀性能以及细胞相容性的影响。首先,采用粉末烧结法在1400℃烧结10小时,成功制备了不同硼含量(0.02wt.%~1.5wt.%)的Ti-22Nb-6Zr合金,采用元素分析、金相分析、XRD物相分析、SEM组织分析等手段分析了硼元素对Ti-22Nb-6Zr合金的显微组织、相组成的影响。结果表明,采用粉末烧结法制备的合金的元素含量与名义成分接近,满足设计要求;随着合金中硼元素含量的增加,Ti-22Nb-6Zr合金的β相基体中逐渐析出了针状相和TiB相,并且晶粒得到明显细化。其次,讨论了硼元素对Ti-22Nb-6Zr合金压缩力学性能和抗腐蚀性能的影响,并且分析了合金性能与相组成、显微组织、成分之间的关系。通过压缩力学性能测试,发现硼元素对Ti-22Nb-6Zr合金的弹性模量和超弹性影响不大,但硼元素的加入,使基体中析出了少量相及TiB相,对其屈服强度和抗压强度有显著影响,当硼含量为0.02wt.%~0.1wt.%和1.0wt.%时,合金展现出较高的抗压强度(1450MPa以上)和屈服强度(1250MPa以上)。通过电化学测试,发现当硼含量在0.02wt.%~1.0wt.%时,腐蚀电流密度保持在10-6A·cm-2以内,合金具有较好的耐腐蚀性。最后,实验通过体外细胞培养法,将不同含硼量的Ti-22Nb-6Zr合金材料与MC3T3-E1鼠成骨细胞复合培养,研究了与合金材料复合培养后MC3T3-E1鼠成骨细胞的增殖、粘附形貌、细胞毒性等情况,系统地评价了含硼Ti-22Nb-6Zr合金的细胞相容性。研究结果表明,硼含量不同的Ti-22Nb-6Zr合金毒性均在0~1级,能够满足临床应用对于医用材料的要求;硼元素可以促进MC3T3-E1鼠成骨细胞的增殖和粘附,其中Ti-22Nb-6Zr+1.0wt.%B合金细胞相对增殖率显著高于其他合金组,表明硼元素含量的增加有利于提高Ti-22Nb-6Zr合金的细胞相容性,且添加硼含量为1.0wt.%时效果最好。
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