关键词：
Zn基复合材料
生物可降解
生物相容性
原位自生
高压重熔
摘要：
纯锌（Zn）及其合金具有优异的生物相容性和合适的降解速率,作为新一代生物可降解材料应用前景广阔,但纯锌的强度较低,难以满足植入材料对力学性能的要求。通过向锌合金中加入第二相制备锌基复合材料,并控制其种类和含量,可调节锌基材料的腐蚀行为,改善生物相容性并提高材料的力学性能。然而,采用常规外加法制备锌基复合材料存在着颗粒分散性不强,增强相与基体界面结合性较差等问题,如何解决这些问题,成为制备高性能可降解锌基复合材料的关键。在GPa级外加压力条件下对合金进行凝固,将极大地改变合金的凝固热力学和动力学,并提高增强相颗粒与基体界面的润湿性,抑制熔体流动,这有利于制备成分均匀的复合材料。因此,本文通过原位自生和外加增强颗粒的方法制备颗粒增强锌基复合材料,并采用高压重熔（HPS）工艺对其显微组织进行优化,系统研究了高压重熔对锌基复合材料显微组织、力学性能、腐蚀行为、生物相容性和抗菌性能的影响。主要研究工作和结论如下:
（1）为提高Zn基材料的力学性能,以纯Zn粉为原料,经过粉末烧结（PM）、热锻（HF）及高压重熔工艺,制备了原位自生ZnO颗粒增强锌基复合材料。研究表明,烧结态和热锻态样品经高压重熔后,Zn粉表面的ZnO层发生破损,形成ZnO颗粒均匀弥散地分布在Zn基体中,经计算,ZnO含量约为10wt.%。该ZnO颗粒可起到细化晶粒和弥散强化的作用。与烧结态和热锻态样品相比,高压重熔态Zn-ZnO复合材料的组织细小且致密,致密度可达99.14%,并表现出较高的强度和塑性,其压缩屈服强度、极限强度分别为174.5 MPa、253.3 MPa,断裂应变超过70%。腐蚀测试表明,高压重熔态复合材料在Hanks溶液中的降解速率约为27.7μm/y。体外细胞毒性试验表明,该复合材料具有良好的生物相容性。此外,ZnO的引入提高了Zn基复合材料的抗菌性能。
（2）为进一步提高Zn基材料的力学性能和抗菌性能,以单质纯Zn和纯Cu（Zn:Cu=97:3,重量百分比）混合粉末为原料,经过粉末烧结、热锻和高压重熔工艺,制备了Zn-3Cu-ZnO复合材料。高压重熔态复合材料晶粒细小,基体中弥散分布着ZnO颗粒。同时,由于高压重熔可大幅增加Cu在Zn中的室温固溶度,因而大部分Cu原子固溶到了Zn的晶格中,形成了过饱和的Zn（Cu）固溶体（3.9 at.%）。高压重熔态Zn-3Cu-ZnO复合材料表现出较高的强度和塑性,其压缩屈服强度、极限强度分别为340.8 MPa、514.2 MPa,断裂应变超过70%。固溶强化、第二相强化以及细晶强化是该复合材料强度提升的主要原因。腐蚀测试表明,该复合材料表现出均匀腐蚀特征,其在Hanks溶液中的降解速率约为44.3μm/y。此外,该复合材料具有良好的生物相容性,且Cu的加入进一步提升了复合材料的抗菌性能。
（3）为了进一步提高Zn基材料的力学性能,并实现对其降解速率、生物相容性和抗菌性能的进一步调控,以纯Zn和HA、Ti C、Si O2颗粒为原料,经过粉末烧结、热锻和高压重熔工艺,成功制备出Zn-ZnO-HA、Zn-ZnO-Ti C和Zn-ZnO-Si O2复合材料。高压重熔处理有效地提高了复合材料的致密度及外加增强相的分散性,从而提高了复合材料的力学性能。其中Zn-ZnO-3Ti C复合材料表现出较高的强度和硬度,其压缩屈服强度、极限强度和显微硬度分别为265.4MPa、325.4 MPa和75.2 HV。腐蚀试验表明,增强相的添加加快了复合材料的腐蚀速率,其中,Zn-ZnO-1Si O2复合材料展现出良好的耐蚀性能和均匀的降解行为。体外细胞毒性试验表明,除Zn-ZnO-5Ti C外,所有样品在浓度为12.5%的复合材料浸提液中均显示出0级细胞毒性和良好的细胞相容性,其中,Zn-ZnO-HA复合材料的细胞相容性最好。抗菌试验表明,所制备的复合材料对金黄色葡萄球菌具有优异的抗菌性能。
（4）为了获得高性能的原位自生颗粒增强Zn基复合材料,以纯Zn、纯Mg和Mg-10Si为原料,采用铸造方法制备原位自生Mg2Si颗粒增强Zn基复合材料,并采用高压重熔工艺对该复合材料显微组织进行了优化。研究结果表明,高压重熔后,Mg Zn2和Mg2Si颗粒的形状由多边形转变成球形,其尺寸更加细小,在α-Zn基体中的分布更加均匀。高压重熔态Zn-3Mg-0.7Mg2Si复合材料表现出极高的强度和较好的塑性,其压缩屈服强度、极限强度分别为406.2 MPa、1181.2 MPa,断裂应变超过70%。电化学试验表明,高压重熔态Zn-3Mg-0.7Mg2Si复合材料在Hanks溶液中的腐蚀电位为-0.930 V,腐蚀电流密度为3.5μA/cm2,腐蚀速率为46.2μm/y。该复合材料在Hanks溶液中浸泡1个月和3个月后的降解速率分别为42.8μ
