论文摘要：锆基块体非晶合金的生物相容性研究

本论文主要以Zr-Al-Cu-Ni(-Y)及Zr-Cu-Al-Nb-Pd块体非晶合金体系为研究对象，分别从材料性能以及细胞行为两方面系统地研究了Zr基块体非晶合金的生物相容性。研究内容包括：生物腐蚀行为、力学性能、细胞相容性以及影响其生物相容性的因素及影响机理。Zr基块体非晶合金在模拟人体环境下表现出良好的耐腐蚀性能，具有与传统医用合金相当或更好的耐腐蚀能力，主要体现为：在腐蚀溶液中的自发钝化、宽的钝化区间、低钝化电流密度及低腐蚀速率等。合金表面能够自发形成以ZrO2为主的钝化膜。虽然该钝化膜对Cl-的敏感性会导致合金在极化过程中的点蚀，但仍能对合金起到良好的保护作用。合金元素对Zr基非晶合金的钝化膜成分、厚度及阻抗等特性产生影响，进而影响其耐腐蚀性能。Zr基块体非晶合金优异的力学性能。它们表现出的高强度（约1.6 - 1.8 GPa）、低弹性模量（约80 GPa）及高硬度（约500 MPa）等特性，可以有效减小“应力遮挡效应”及“颗粒性疾病”等危险，从而使其在生物医学领域具有潜在应用前景。同时，Zr基非晶合金具有高疲劳强度，能够承受使用过程中的交变应力。在低应力作用下腐蚀性环境对Zr基非晶合金的疲劳行为作用明显，使Zr基非晶合金的疲劳强度降低，并对疲劳裂纹起源及扩展均有影响。Zr基非晶合金的腐蚀疲劳失效机制为阳极溶解。Zr基块体非晶合金具有较高的细胞生物相容性。它们的表面润湿性及表面自由能满足生物医用材料的要求。细胞在合金表面能够贴壁生长，具有高的存活率，并表现出正常的细胞形貌和结构。细胞贴壁数量与合金的表面自由能有直接联系。成骨细胞在Zr基非晶合金表面能够顺利进行增殖、分化及矿化，因此能够正常地实现成骨功能。此外，含铜的Zr基非晶合金还表现出优良的抗菌性能。合金元素组成及表面状态等因素会影响Zr基块体非晶合金的生物相容性。适当的合金元素组成及含量能够改善Zr基块体非晶合金的耐腐蚀性能、力学性能及细胞相容性。预浸处理能有效减少合金表面“有害”元素含量并引入有利于磷酸钙沉积的P元素，从而可能提高合金的生物活性。提高合金表面粗糙度对Zr基非晶合金表面的细胞分化行为有利。综合以上结果表明，Zr基块体非晶合金具有良好的耐腐蚀性能、优异的力学性能及较高的细胞相容性。通过合金元素设计、表面处理及表面形貌设计等手段能有效改善合金的生物相容性。本论文的研究结果对推动Zr基块体非晶合金在生物医学领域的应用以及优化生物医用Zr基非晶合金的设计有重要意义。

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