探究一种可被人体吸收的新型金属骨植入材料

　　重庆市第一中学 王炎钰

　　指导教师 李麒麟 （重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心）

　　来源：全国青少年科技创新大赛获奖作品展播

　　目前常用的金属骨植入材料以不锈钢、钛合金为主，这些材料都不同程度地存在着应力遮挡、不可降解、需二次手术等问题，因此迫切需要一种可被人体吸收的新型金属骨植入材料。镁合金因可被人体降解吸收而受到国内外高度关注，但作为骨植入材料存在腐蚀降解速度过快、易产生氢气等问题，限制了它的临床应用。作为可降解的金属骨植入材料，镁如果要作为基体，就必须要克服一般镁合金腐蚀速率过快的问题，我们将通过两方面来加以解决：一是引入非晶独特微观结构，二是添加锰净化基体中对腐蚀敏感的Fe、Ni等有害杂质元素以进一步提高耐腐蚀性。通过这两点措施，我们解决了非晶合金力学易脆，而晶态合金耐蚀性差的问题。

　　我们选用的镁合金非晶材料是Mg-Zn-Ca-Mn，其元素成分比例是Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5。之所以选用这样的比例，是经过对非晶复合材料的微观组织表征、力学性能、耐蚀性能、细胞毒性的综合测定后得出的最优比例。特别值得一提的是，添加0.5%的Mn是十分重要的，这从几方面可以说明：

　　1. 微观组织表征上，从XRD（X射线衍射）图谱上看出，添加Mn之前，合金为非晶材料；添加Mn之后，合金形成了由非晶组织和晶态相共同组成的非晶复合材料。

　　2. 力学性能上，未添加Mn时，合金的压缩强度性能优异，压缩延伸率为1.3%；添加Mn后，合金的强度出现下降，且Mn含量越高，合金强度越低。但0.5%Mn加入后，合金的压缩延伸率有所增加。

　　3. 耐蚀性能上，添加少量Mn的合金的耐腐蚀效果最好，而且添加Mn的非晶复合材料的腐蚀产物可以促进骨生长，生物特性较优异。

　　4. 细胞毒性上，Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5可以促进细胞的增长与繁殖，没有明显的细胞毒性。

　　在确定了镁合金材料的组分比例之后，我们还需要确定如何对其冶炼和加工，这里采用的是感应熔炼+铜模喷铸法来制得这种Mg-Zn-Ca-Mn非晶复合材料。

　　我们设计出的Mg68.5Zn27Ca4Mn0.5非晶复合材料，在保留了常规镁合金诸多优点的基础上，还克服了传统生物镁合金耐蚀性差的缺点，人体相容性优异，是一种具有良好应用前景的人体金属骨植入材料。