鎂合金表面超聲微弧氧化塗層製備技術（簡體書）

隨著疾病、創傷以及老齡化等問題的出現，人類對於骨替代材料的需求越來越多。目前臨床所用的金屬骨接板及骨釘固定材料多為不銹鋼、鈷基和鈦基合金，短期植入需要二次取出，應用中由於彈性模量與人骨組織不相匹配，會產生應力遮擋效應，導致愈合遲緩、後期的骨質疏松及骨的力學強度下降。同時在人體環境中合金釋放出的鉻、鈮、釩和鎳等離子可能引起有害的組織反應，如鈦合金中的鎳具有高的細胞毒性、基因毒性、致癌性和誘變性。
鎂是最輕的金屬，鎂合金的特點是密度小、比強度高、彈性模量大、消振性好、承受衝擊載荷能力超過鋁合金，目前已應用於航空、航天、交通、機械等工業部門以及一些民用領域。又因為鎂及鎂合金的彈性模量與人骨相接近，其具有適當的力學性能和優良的生物性能等特點，能夠在骨折愈合的初期提供穩定的力學環境，防止局部骨質疏松和再骨折，但由於在體內降解過快而在一定程度限制了其在臨床上的應用。各種表面改性技術的開發，使鎂合金作為骨固定材料具有很大的潛力，鎂及其合金作為生物醫用材料重新引起國內外學者們的極大興趣。
我國是鎂產業大國，我國的鎂資源儲藏量、原鎂產量、鎂及鎂制品出口量穩居全球第一,2017年我國原鎂產量達102萬噸,占全球原鎂產量的80%以上。鎂及鎂合金的應用領域不斷擴大，加之地球上鎂資源蘊藏豐富,幾乎可以說是“取之不盡,用之不竭”,因此,鎂及鎂合金被稱為21世紀最有發展前途的綠色工程材料。同時可降解金屬在歐美被譽為是一類革命性的金屬生物材料，我國的可降解金屬研究與國際同步且水平相當，特別是可降解鎂合金的設計與制備、表面改性、降解行為、生物相容性等方面已開展了大量的探索研究工作並已開始進入臨床應用研究階段。
本著作系統地闡述了超聲與微弧氧化技術二者復合，在具有潛在生物應用前景的可降解鎂合金表面制備富含Ca、P元素的復合塗層的技術。研究了不同超聲功率作用下的微弧放電過程、塗層的形成機理、塗層表面及斷面形貌、微觀結構、相組成、元素含量、摩擦磨損、體外模擬腐蝕和動物體內植入等。全書共分為八章，主要內容包括微弧氧化鎂合金鈣磷生物塗層的制備、超聲在微弧放電過程中的作用、超聲微弧氧化鎂合金塗層的組織結構與性能、鎂合金超聲微弧氧化塗層體外腐蝕性能、鎂合金超聲微弧氧化塗層體內生物學評價、超聲微弧氧化含氮氧化鎂塗層的制備與研究以及醫用鎂合金研究展望。
研究獲得如下創新：①闡明了超聲對微弧氧化放電過程的影響機制，超聲可減少溶液與陽極界面處氣泡團數量，使得溶液中消耗的電壓降減小，提高有效放電電壓，使得微弧氧化過程放電擊穿概率增加，持續放電時間延長。②研究發現超聲的擾動作用使晶粒得到細化，枝晶生長被抑制，有利於提高界面處鎂合金基體的致密度，使塗層致密層厚度增加，進而提高鎂合金的耐蝕性能。③超聲增加了微弧氧化生物塗層的活性鈣磷鹽的沉積量和Ca/P比，提高了生物活性，改善了成骨性能，動物體內種植體與骨組織界面產生的新生骨和密質骨均多於常規微弧氧化種植。④成功地制備了含氮氧化鎂生物塗層材料。
本書涉及醫用鎂合金表面處理及相關生物活性的多學科領域，既可作為從事醫用鎂合金研究與應用的科研人員、相關臨床醫生的參考資料，又可作為高等院校相關專業的本科生和碩士研究生的教學參考書。
本書在李慕勤老師的指導下完成，特此表示衷心地感謝！

曲立杰

第1章緒論1
1.1醫用鎂合金國內外研究現狀及分析2
1.1.1醫用鎂合金的臨床應用優勢3
1.1.2醫用鎂合金的臨床應用局限性4
1.1.3醫用鎂合金臨床應用研究4
1.2控制醫用金屬鎂降解速率的方法6
1.2.1高純鎂6
1.2.2合金化及熱處理6
1.2.3表面處理或塗層技術7
1.3鎂合金微弧氧化技術8
1.3.1微弧氧化技術原理8
1.3.2微弧氧化鎂合金塗層的結構8
1.3.3微弧氧化鎂合金塗層的耐蝕性9
1.3.4微弧氧化鎂合金耐蝕性能及影響因素10
1.4超聲在材料研究中的應用現狀16
1.4.1超聲空化效應16
1.4.2超聲空化效應的應用16
1.5超聲與微弧氧化復合技術設計17
1.5.1可降解生物材料植入要素17
1.5.2可降解生物材料設計思路18
參考文獻20

第2章微弧氧化鎂合金鈣磷生物塗層的制備27
2.1引言28
2.2試驗材料及方法28
2.3試驗參數及工藝過程29
2.4鎂合金微弧氧化不同體系電解液反應29
2.5膠體溶液體系微弧氧化鎂合金表面形貌及元素分析30
2.6膠體溶液體系微弧氧化鎂合金塗層表面AFM形貌31
2.7膠體溶液體系微弧氧化鎂合金塗層的孔隙率及厚度32
2.8微弧氧化鎂合金生物活性電解液體系32
2.9本章小結33
參考文獻34

第3章超聲在微弧放電過程中的作用36
3.1引言37
3.2試驗設備及工藝過程38
3.3微弧放電特性測試方法38
3.4超聲微弧放電過程研究39
3.5超聲功率微弧放電電壓響應43
3.6超聲對微弧放電作用機理47
3.6.1超聲對微弧放電電壓的影響47
3.6.2超聲對微弧放電數量的影響47
3.7本章小結48
參考文獻48

第4章超聲微弧氧化鎂合金塗層的組織結構與性能50
4.1引言51
4.2塗層的組織結構表征及性能測試51
4.2.1塗層表面分析51
4.2.2塗層組織結構分析51
4.2.3摩擦磨損與結合力測試52
4.3超聲微弧氧化鎂合金塗層的形貌分析52
4.3.1塗層表面粗糙度52
4.3.2塗層表面形貌53
4.3.3塗層斷面結構56
4.4塗層中各元素的XPS分析61
4.4.1塗層中Mg元素的XPS分析61
4.4.2塗層中Ca元素的XPS分析62
4.4.3塗層中O元素的XPS分析63
4.4.4塗層中P元素的XPS分析66
4.5塗層的形成機理66
4.5.1超聲對微弧氧化塗層表層的形成影響66
4.5.2超聲對微弧氧化塗層內層的形成影響68
4.6超聲微弧氧化鎂合金塗層的組織結構71
4.6.1相組成分析71
4.6.2高分辨透射電鏡分析72
4.6.3紅外光譜分析75
4.6.4能譜分析75
4.7超聲微弧氧化CaP塗層的形成機制77
4.8電化學沉積塗層形貌及組成78
4.9超聲微弧氧化塗層的力學性能79
4.9.1塗層結合力79
4.9.2塗層摩擦磨損性能83
4.9.3超聲對塗層結合力與摩擦性的影響87
4.10本章小結89
參考文獻90

第5章鎂合金超聲微弧氧化塗層體外腐蝕性能91
5.1引言92
5.2試驗材料及方法92
5.2.1體外腐蝕所用材料及裝置92
5.2.2動物體內種植所用材料及儀器93
5.2.3體外腐蝕性能測試94
5.3模擬體液中的電化學腐蝕94
5.3.1極化曲線94
5.3.2電化學阻抗譜96
5.4生理鹽水中的電化學腐蝕101
5.4.1極化曲線101
5.4.2電化學阻抗譜102
5.5塗層接觸角106
5.6塗層耐蝕性能107
5.7腐蝕機理分析111
5.8本章小結114
參考文獻115

第6章鎂合金超聲微弧氧化塗層體內生物學評價117
6.1引言118
6.2體內生物學評價118
6.2.1骨缺損模型建立119
6.2.2術後動物飼養119
6.2.3術後處理119
6.2.4術後檢測119
6.3動物模型建立120
6.4尿鎂及血鎂濃度120
6.5骨生長及種植體降解行為121
6.5.1種植體微觀結構及成分121
6.5.2種植體與骨界面掃描電鏡及能譜分析122
6.5.3種植體與骨結合區口腔CT分析134
6.5.4種植體降解穩定性139
6.5.5骨組織病理分析140
6.6塗層成骨能力分析144
6.7本章小結145
參考文獻145

第7章超聲微弧氧化含氮氧化鎂塗層的制備與研究147
7.1引言148
7.2試驗材料及方法148
7.3超聲微弧氧化鎂合金塗層的表面形貌及元素分析149
7.4超聲微弧氧化鎂合金塗層的相組成151
7.5含氮氧化鎂塗層模擬體液中的生物活性151
7.5.1模擬體液中浸泡21d材料表面的鈣磷比151
7.5.2模擬體液的pH值變化151
7.5.3微弧氧化鎂合金在模擬體液中浸泡21d的失重率153
7.6超聲微弧氧化-氮化鎂塗層的形成過程154
7.7超聲微弧氧化-氮化鎂塗層的生物活性155
7.8本章小結156
參考文獻156

第8章醫用鎂合金研究展望158
8.1超聲微弧氧化鎂合金研究總結159
8.2醫用鎂合金研究展望160