关键词： Mg-8Zn-1Cu-x Al合金   半固态非枝晶组织   组织演变   热处理   析出相  

摘要： 压铸是镁合金成形的常用方法。由于半固态压铸成形技术是在较低温度下成形的,因此可以有效避免镁合金化学性质活泼,在高温条件下易氧化燃烧的缺陷,同时还可以通过热处理进一步改善成形件的综合力学性能。但是由于目前用于半固态压铸成形技术的牌号镁合金热处理强化效果不佳,所以探索和开发适用于半固态压铸成形技术的新型镁合金具有深刻意义。Mg-Zn-Cu系合金是热处理强化效果较为明显的镁合金,但当前对其合金化后铸态及半固态组织热处理效果的研究很少。本文系统的研究了热处理对Mg-Zn-Cu-Al合金铸态和半固态组织的影响,并通过OM、XRD、SEM、TEM及硬度测试等分析手段,最终得出了以下研究结论:在Mg-8Zn-1Cu合金中添加了Al元素后,合金的铸态组织主要由α-Mg相、Mg-Zn-Cu相和Mg(Al,Cu)相组成,同时合金的显微组织和力学性能随Al元素的添加也发生了显著改变,研究发现当合金组织中Al元素的含量为6wt%时,合金组织的细化效果最好,显微硬度值也最大,为82.58HV。采用等温热处理法研究Mg-8Zn-1Cu-xAl合金组织在等温热处理过程中的变化情况。结果表明在进行等温热处理的过程中,合金的半固态组织主要经历了初始粗化、分离和球化、颗粒的合并和长大三个阶段,当合金中Al元素的含量为6wt%时,半固态组织的细化效果最好。将Mg-8Zn-1Cu-6Al合金在540℃保温25min后得到最佳的半固态非枝晶组织,主要由固相颗粒和液相共晶组成,其中固相颗粒的平均尺寸和形状因子均达到最小值,分别为51.62μm和1.39。铸态Mg-8Zn-1Cu-6Al合金的最佳固溶处理参数为350℃×20h,将固溶处理后的合金组织在160℃进行时效处理时,发现时效处理15h后合金组织处于峰时效状态。峰时效态的合金组织主要由α-Mg相、Mg(Al,Zn)相和Mg Zn Cu相组成,此时合金的显微硬度值为101.6HV。非枝晶态Mg-8Zn-1Cu-6Al合金的最佳固溶处理参数为350℃×24h,将固溶处理后的合金组织在160℃时效处理15h后合金处于峰时效状态,此时合金组织的显微硬度值为103.2HV。在经过时效处理后的半固态非枝晶组织中,合金的强化相主要为平行于(0001)基面的β’相、垂直于(0001)基面的β’相和立方体状的β’相。非枝晶态的合金组织在时效初期主要出现G.P.区和少量强化相,峰时效态的合金组织中强化相的种类不变,但是数量增多,且分布均匀,时效强化的效果更好。

关键词： 镁合金   梯度涂层   结合强度   耐腐性能   磁控溅射  

摘要： 镁合金具有优异的生物相容性以及可降解性能,其力学性能与天然骨相近,是一种很有潜力的生物可降解植入材料。但是过快的降解速度会导致植入体提前失效,从而制约了镁合金的临床应用。碳化钽陶瓷具有优异的耐腐蚀性能以及耐磨损性能,然而碳化钽与镁合金的物性参数不匹配,两者结合性能差。为提高涂基结合强度,本文采用磁控溅射技术在ZK60镁合金表面设计并制备了TaC/TaC-Mg/Mg梯度涂层,并围绕涂层的结构设计、制备、微观结构、结合强度、摩擦学特性和腐蚀行为进行了系统地研究。基于功能梯度材料理论,设计了新型TaC/TaC-Mg/Mg梯度涂层。该涂层中Mg为粘接层;TaC为功能层,起耐磨和耐腐作用;TaC-Mg为梯度中间层,其作用是提高涂层/基底之间的结合强度。采用有限元方法分析了ZK60表面TaC单层、TaC/Mg双层、TaC/TaC+Mg/Mg多层以及TaC/TaC-Mg/Mg梯度涂层的残余应力分布特征,研究了梯度涂层的结构参数、基底温度对涂层残余应力的影响,优化了梯度涂层结构。结果表明:(1)梯度涂层的残余应力明显小于单层、双层涂层;(2)梯度涂层的残余应力随梯度层数和厚度的增加而降低,随基底温度的升高而增加;(3)梯度涂层的最优结构参数组合为梯度层数7,梯度各层厚度0.7μm,粘结层厚度0.3μm。采用磁控溅射技术在ZK60表面沉积了TaC单层、TaC/Mg双层、TaC/TaC+Mg/Mg多层以及TaC/TaC-Mg/Mg梯度涂层(代号分别为TM1、TM2、TM3和TM4)四种TaC基涂层,研究了涂层试样的微观结构、物相成分、润湿性能、结合强度、摩擦学特性以及耐腐蚀性能。结果表明:(1)TM4涂层的TaC-Mg梯度中间层结构致密,其它膜层呈柱状多孔结构;(2)TM4涂层表面含有TaC、TaO、Mg和Mg O相,涂层内部存在元素扩散;(3)随着中间层的增加,TaC基涂层试样的粗糙度增大,接触角增大,亲水性降低;(4)TM4涂层的结合力为9 N,较TM1、TM2和TM3涂层分别提高140%、125%和50%;(5)四种TaC基涂层均能提高ZK60的耐磨性和耐蚀性,其中TM4涂层具有最好的耐磨性和耐蚀性,相比于ZK60镁合金,其磨损率降低一个数量级,腐蚀电流密度减小73.8%。

关键词： 镁合金   拉压不对称   复合挤压   织构演化   性能预测  

摘要： 变形镁合金经挤压后易产生强基面织构,导致其沿挤压方向存在显著拉伸-压缩不对称性,限制了其在交变或多向载荷等复杂承力工况中的应用。基面织构弱化是改善其拉压不对称性的重要措施,同时对传统商用镁合金也较为适用。为此,在课题组前期变应变路径冷温塑变研究基础上,本文探索研究了有无镦粗、有无螺旋结构对锥模挤压的组织性能影响,对比分析了二次挤压、模内镦挤、往复挤压等复合挤压工艺过程的组织演化,明确了应变加载路径对挤压棒材基面织构弱化规律。随后结合有限元模拟与粘塑性自洽模型,量化分析了应变加载路径对复合挤压过程变形机制和织构演变的影响规律。最后建立了Semi Sachs流动应力预测模型,预测分析了织构状态对镁合金室温准静态单轴拉压力学行为及其拉压异性的影响。为镁合金挤压材基面织构弱化调控的工艺实现和承载性能提升及预测提供了理论模型和数据支撑。镁合金模内镦挤工艺可实现强基面织构沿挤压方向的弱化,同时通过孪生切割促进再结晶细化;而螺旋挤压仅在周向上起到织构调控效果,且其较高的塑变热效应引起组织粗化。对比研究挤压比和塑变温度影响,结果发现低温小挤压比镦挤可获得高拉压同性的细晶弱基面织构棒材。在此基础上,以高强ZK61镁合金为研究对象,采用三种复合挤压工艺制备了三种典型织构状态的细晶镁合金棒材。以挤压方向ED为参考,二次挤压形成了{0002}//ED强基面丝织构;模内镦挤形成{0002}//ED漫散丝织构;往复挤压为{0002}∠45°倾斜基面织构。漫散织构获得等拉压屈服(～300MPa)的高强ZK61镁合金棒材。尽管倾斜织构也可改善拉压异性,但伴随着拉压屈服强度的显著降低。深入研究三种复合挤压过程的织构演化,其结果表明,二次挤压的织构形态始终保持为{0002}//ED;模内镦挤织构由初始{0002}//ED镦为{0002}⊥ED,再挤至{0002}晶面与ED呈47°～78°;往复挤压应变路径由挤向镦重复两次变化,挤压时{0002}向ED靠拢,镦粗时{0002}远离ED,变形中{0002}与ED夹角波动式逐渐转向45°。粘塑性自洽模型(VPSC)很好地量化揭示了复合挤压过程中的主导塑变机制,由此预测的织构演化与实验结果吻合。其中,二次挤压中基面滑移与柱面滑移依次为主导变形模式;模内镦挤应变路径呈现压缩—伸长类转变,镦粗阶段易激活{10-12}拉伸孪生。而往复挤压在压缩-伸长应变交替情况下,基面滑移机制仍在大部分变形过程中表现为主导。建立了包含多滑移和{10-12}拉伸孪生的Semi Sachs流动应力预测模型,发现基面织构弱化会导致较低的孪生贡献量,及平缓的应变硬化斜率和较低拉压异性。具体而言,对往复挤压的倾斜织构,拉压异性改善是通过提高基面滑移Schmid因子降低拉伸屈服实现的;对模内镦挤的漫散织构,则是通过抑制压缩时的孪生贡献量以提高压缩屈服强度达到的。由Semi Sachs模型可进一步得到屈服强度的预测公式,简化了镁合金室温性能预测。

关键词： 石墨烯纳米片   镁基复合材料   微观结构   第一性原理计算  

摘要： 石墨烯纳米片（Graphene Nanoplatelets,GNPs）作为一种良好的增强材料,但由于其具有较大的表面积和较差的润湿性,制备GNPs-镁基复合材料仍是一项具有挑战的任务。因此研究出一种能改善GNPs与镁基体之间润湿性的制备方法具有重要的现实意义。本文采用AZ31B合金与GNPs-镁屑混合物进行“三明治”式的堆叠方法,制备了0.1wt.%、0.3wt.%、0.5wt.%、0.7wt.%GNPs的AZ31B镁合金复合材料。用光学显微镜、扫描电镜以及透射电镜分析了复合材料的各种微观组成和结构,AZ31B-0.5GNPs复合材料晶粒得到很好的细化,且GNPs能均匀稳定分布在基体上。室温力学性能表明,添加0.5wt.%的GNPs时,复合材料的显微硬度、屈服强度、极限拉伸强度、断裂应变有了较大的提升,分别增加了25.8%、44.1%、63.5%、27.5%。通过第一性原理计算,建立了Armchair和Zigzag手型GNPs垂直嵌入Mg（100）表面的界面模型以及GNPs水平嵌入Mg（111）表面的界面模型。对电子结构分析表明,GNPs垂直嵌入Mg（100）表面中的C原子与第一近位镁原子的结合强度高,能形成共价键,表明GNPs能作为镁以及合金的优秀增强相。但是水平嵌入Mg（111）表面的GNPs,界面的结合机制为物理吸附。此外,还建立了GNPs/Mg（111）掺杂不同Al原子浓度的界面模型。计算结果表明,Al原子的加入有利于界面的稳定性,一定浓度范围内随着Al原子浓度的增加,界面越稳定。

关键词： AZ80镁合金   室温多向锻造   时效   硬度   微观组织  

摘要： 镁合金因其密排六方结构导致在室温下塑性变形能力很差,而多向锻造工艺可以积累很大的应变,调控与改善材料的组织与性能,扩展镁合金的应用空间。研究室温状态下镁合金的多向锻造工艺具有一定的意义。本文选用典型的挤压态AZ80镁合金作为研究对象,先对线切割试样进行375℃+10h固溶处理以提升塑性,之后在室温下进行不同道次变形量（0.05、0.075、0.1）及累积变形量的多向锻造,最后进行时效处理。对锻造后的试样进行应力及显微硬度、EBSD、XRD分析,对锻造后并时效处理试样进行金相、显微硬度分析,研究了AZ80镁合金室温多向锻造及后续的时效处理下微观组织及力学性能的变化情况,结果表明:（1）挤压态镁合金的室温多向锻造沿三个方向的真应力并不一致,沿X方向（ED方向）压缩时的真应力最高。当累积变形量相同时,道次变形量越大,压缩时的真应力值越大。当道次变形量为0.05、0.075、0.1时,累积变形量分别达到1.5、2.925、2.4后的真应力值基本趋于稳定,而硬度则随着累积变形量的增加一直增大。（2）室温多向锻造会在晶粒内产生大量孪晶,绝大部分为拉伸孪晶,仅有少部分压缩孪晶的产生,当道次变形量越大时,压缩孪晶越容易生成,对晶粒的切割细化效果愈加显著。孪晶导致了明显的柱面择优分布和大量位错的生成,同样是道次变形量越大,晶粒内的位错密度越高。（3）室温多向锻造具有一定程度的不均匀性,即同一试样内各个区域的微观组织并不趋同,有个别区域表现为位错密度较高,应力极为集中,微观形貌显著不同于其他区域。（4）室温多向锻造引入的孪晶显著影响后续的时效析出过程。在175℃时效处理时,细小密集的连续析出相优先在孪晶内生成,随着时间的增加才开始在基体内生成连续析出相。在225℃时效处理时,时效初期孪晶内仍生成连续析出相,随时效时间增加孪晶界出现大量的不连续析出相,形状由长条状逐渐过渡为椭圆状,抑制了孪晶内连续析出相的产生,周围形成明显的无沉淀区。同时基体内的颗粒状析出相尺寸非常细小,在0.1μm左右。275℃时效处理时,孪晶界几乎均为不连续析出,同样抑制了孪晶内连续析出相的生成,在周围形成明显的无沉淀区。（5）不同试样的峰值时效与位错密度关系密切,即在时效温度相同时,位错密度越高的试样其峰值时效第二相的析出量越多。对比175℃、225℃、275℃三个时效温度,发现175℃下晶粒内有更多的第二相析出。

关键词： ZE21B镁合金   快速内皮化   外泌体活性涂层   涂层形成机制   降解过程  

摘要： 目前,全世界每年有超过千万人死于心血管疾病(CVD)及其并发症,其中,动脉粥样硬化以及动脉狭窄是心血管疾病最主要致病因素。临床常用的治疗手段是进行支架植入,从而重塑血管并稳定血流。镁合金支架由于其本身的可降解性以及良好的生物相容性,成为未来血管支架的发展方向。支架表面内皮化被认为是预防晚期血栓和增生的有效策略,但现有镁合金支架产品存在表面内皮化延迟缺陷,因此如何加快镁合金表内皮化成为本领域的瓶颈问题和研究热点。在众多研究中,在可降解镁合金表面制备生物相容性较好的涂层是更便捷有效、且更贴近临床需求的方法。本研究将源自人血浆的外泌体,通过多巴胺涂层固定在氟化的Mg-Zn-YNd(ZE21B)表面,形成具有活性的外泌体缓释涂层。外泌体是一种包含母细胞的蛋白质、遗传物质以及脂质的纳米级细胞外囊泡。该囊泡可以通过在靶细胞内释放内容物,从而调节细胞的行为。目前,大量工作集中在使用外泌体进行抗癌、促进细胞增殖等方面的研究,而将外泌体作为涂层材料制备在心血管支架材料表面则是近年才逐步开展的。为了确认提取外泌体的形态,使用了纳米颗粒跟踪分析,生物透射电镜等方法进行表征;为了制定外泌体涂层的工艺参数,选取了不同的外泌体浓度和制备时间进行筛选;为了分析外泌体涂层的形态和耐蚀性,使用原子力显微镜,傅里叶表换红外光谱以及电化学等方式对ZE21B表面的外泌体涂层进行了表征,并总结了外泌体涂层的形成机制;为了分析外泌体涂层的生物相容性,在涂层表面培养了人脐静脉内皮细胞,平滑肌细胞以及巨噬细胞,并通过免疫荧光染色以及流式细胞仪的结果,评价了快速内皮化的作用;在具备快速内皮化功能的基础上,对外泌体涂层的降解周期,进入细胞后的分布,以及对降解产物对巨噬细胞的表型和人脐静脉内皮细胞增殖的作用进行了较为深入的机理性分析。本文的研究主要包括以下几点:(1)利用提取的外泌体,通过调控自组装时间、外泌体浓度等制备参数,优化血管支架材料表面的外泌体涂层的治疗效果。结果表明,浓度为25μg/m L的外泌体悬液,在多巴胺涂层表面经过12小时的自组装,能够获得性能较为优异的外泌体涂层。(2)对优化后的外泌体活性涂层的形成机制进行了分析。多巴胺涂层可将外泌体稳定的固定在材料表面,外泌体与多巴胺表面的正负电荷作用加强了这种连接。利用原子力显微镜对涂层表面三维形貌进行了分析,发现外泌体在表面呈球状分布;对外泌体在表面的分布进行荧光表征,证明外泌体在表面的分布较为均匀;使用水接触角测试发现外泌体涂层提升材料表面的亲水性;该活性涂层的平均厚度约为0.64μm;通过对固体表面电位的测试,发现外泌体与多巴胺涂层表面存在正负电荷的吸引。(3)外泌体活性涂层对快速内皮化有明显的促进作用。外泌体涂层表面的内皮细胞增殖、迁移以及因子(CD31,NO)表达等明显提升;收缩型平滑肌细胞的平滑肌肌动蛋白(α-SMA)表达提升,但是增殖不明显;将内皮细胞与平滑肌细胞在涂层的浸提液中进行共培养,发现内皮细胞增殖速率较快;巨噬细胞的活性氧(ROS)以及TNF-α表达均有明显降低,细胞增殖速率放缓;通过动物实验,发现新生血管组织可以均匀地附着在含外泌体涂层镁合金植入材料表面;(4)ZE21B镁合金表面外泌体涂层能够在5天至7天之内缓慢释放外泌体,外泌体通过内吞作用被细胞吸收,并分布在细胞核、溶酶体以及线粒体周围,参与细胞的分裂以及增殖等生理过程;(5)负载外泌体涂的镁合金基体降解会加速内皮化的进程。降解过程中,ZE21B合金解产物中的镁离子提升了环境中镁离子浓度,加快了内皮细胞表面黏着斑的出现;此外,镁离子降低巨噬细胞炎性因子的表达,提升巨噬细胞向M2型分化的趋势;细胞内部的镁离子浓度紧随环境而改变,对细胞的调节是可逆的过程,不会损害细胞的钙泵的功能。使用培养过巨噬细胞的浸提液培养内皮细胞,能够促进内皮细胞的增殖和CD31的表达。外泌体活性涂层能够促进ZE21B镁合金表面的快速内皮化过程;其制备过程利用了多巴胺的粘附性和正负电荷的作用;外泌体涂层提升了表面内皮化速度,负载涂层的可降解镁合金则以降解产物的形式加速了快速内皮化作用。

关键词： 镁合金   腐蚀行为   合金化   晶粒细化   电化学  

摘要： 镁及镁合金因具有密度低、比强度和比刚度高等特点而在航空航天、军事、汽车和计算机电子等工业领域具有非常广阔的应用前景。然而,镁的标准电极电位只有-2.37V,导致镁及镁合金的耐蚀性相对较差。因此,提高镁合金的耐蚀性对于促进其大规模生产和应用具有极其重要的意义。合金化是改善镁合金耐蚀性的重要手段。本论文以Mg-Ga和Mg-Ga-Zn合金为研究对象,采用高应变速率轧制技术制备细晶板材,通过浸泡失重实验、电化学实验和慢应变速率拉伸实验等手段,研究合金板材腐蚀行为与微观组织的相关性,探讨Zn元素的作用机制。主要研究结果如下:(1)当Ga含量低于5wt.%时,高应变速率轧制Mg-Ga二元合金的平均晶粒尺寸受Ga含量影响不大,且平均晶粒尺寸约为2.5μm;Ga的加入可以促进镁合金的动态再结晶,其中Mg-1Ga合金的动态再结晶体积分数为86%,而Ga含量高于2wt.%的合金其动态再结晶体积分数在90%以上;Mg-5Ga合金中存在较多的MgGa动态析出相。(2)高应变速率轧制Mg-Ga合金板材耐蚀性从高至低的顺序为:Mg-3Ga>Mg-2Ga>Mg-5Ga>Mg-1Ga;Mg-3Ga合金的耐蚀性最佳,在3.5%Na Cl溶液中浸泡7天的平均腐蚀速率为0.52mg cmd,而Mg-5Ga合金为1.73 mg cmd;Mg-Ga二元合金板材的耐蚀性主要受镁基体中固溶Ga原子含量的影响,与动态再结晶体积分数关系不大,而MgGa动态析出相对合金的耐蚀性不利;Mg-Ga合金板材中腐蚀主要发生在晶界、三叉晶界和第二相粒子处;Mg-5Ga合金中未固溶完全的MgGa相对耐蚀性的影响较大。(3)高应变速率轧制Mg-Ga-Zn三元合金板材的耐蚀性从高至低的顺序为Mg-5Ga-0.9Zn>Mg-5Ga-0.6Zn>Mg-5Ga-1.2Zn>Mg-5Ga-0.3Zn>Mg-5Ga;Zn的加入具有改善Mg-5Ga合金板材耐蚀性的作用,其中Mg-5Ga-0.9Zn合金的耐蚀性最佳,在3.5%Na Cl溶液中浸泡7天的平均腐蚀速率为0.36mg cmd,比Mg-5Ga合金低64%;Mg-5Ga-0.9Zn合金的耐蚀性最佳的原因在于其腐蚀产物层中Ga含量较高且含有Zn元素,对基体的保护性较好。(4)添加Zn元素使得合金在空气中的室温抗拉强度增大,且对伸长率影响不大,Mg-5Ga合金和Mg-5Ga-0.9Zn合金的伸长率均保持在35%以上;添加Zn元素对合金在3.5%Na Cl溶液中的抗拉强度和伸长率影响不大。Zn的加入在一定程度上增加了Mg-5Ga合金板材的应力腐蚀敏感性,归因于晶粒尺寸减小时晶界面积增多,从而增加了H的俘获点,增强了氢脆效应。Zn元素加入后并未改变合金的应力腐蚀断裂机制,Mg-5Ga和Mg-5Ga-0.9Zn合金的应力腐蚀断裂机制为混合模式断裂机制,即穿晶/沿晶混合型断裂。

关键词： 镁合金   微观组织   异质结构   HDI强化   力学性能  

摘要： 镁合金作为轻量化材料具有巨大的发展潜力和广泛的应用前景。然而,镁合金为密排六方晶体结构,室温下变形时可启动的滑移系少,室温塑性差。此外,虽然镁合金比强度高,但真实强度相对较低,这些因素制约了其应用和发展。近年来,异质结构（异构）材料作为新的研究领域,为实现包括镁合金在内的各类合金的强-塑性结合提供了一种新思路,也获得了一定的研究成果。但现有报道中,异构材料的制备工艺往往较为复杂和特殊。基于此,本文采用传统挤压工艺,通过控制挤压参数调控AZ91微观组织,制备了AZ91异构镁合金;采用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射及万能试验机等分析测试手段,研究了不同挤压温度和挤压比对AZ91合金微观组织和力学性能的影响,揭示了AZ91异构镁合金的强韧化机理。主要内容及结论如下:（1）在260℃-340℃挤压后,AZ91合金晶粒尺寸由60μm显著细化至15μm以下,且平均晶粒尺寸随挤压温度的升高而增大。合金的屈服强度、抗拉强度和延伸率均大幅提升。其中屈服强度随晶粒尺寸的增大而减小,抗拉强度和延伸率随温度变化规律不明显,但E260和E300（数字为挤压温度）两种异构组织具有较好的强韧结合。其中E260为再结晶小晶粒包围未再结晶大晶粒形成的异构组织,屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为271MPa、380MPa、8.4%,屈服强度为挤压合金中最大。E300为较大再结晶晶粒和较小再结晶晶粒相间呈带状的异构组织,屈服强度、抗拉强度、延伸率分别为240MPa、392MPa、11.2%,抗拉强度为挤压合金中最大。（2）在300℃进行挤压比为7、11、17、26（分别表示为AE7、AE11、AE17、AE26）的挤压,对完全再结晶的异构组织进行调控。结果表明,挤压比越大,平均晶粒尺寸越大,其中AE7为均匀细晶组织,AE26为均匀粗晶组织,AE11和AE17为异构组织。此外,随着挤压比增大,合金的屈服强度和抗拉强度逐渐降低,延伸率整体呈升高趋势,其中具有异构组织的AE11表现最佳的强韧结合。较小的平均晶粒尺寸和较小的Schmid因子对提高其强度起到了一定作用,其最大的异质变形诱导（HDI）力使其在拉伸过程中产生最大的HDI强化和硬化,对提高其强度和塑性均起到了重要作用。（3）在260℃进行挤压比为7、11、17（分别表示为AE7、AE11、AE17）的挤压,对部分再结晶的异构组织进行调控。结果表明,随着挤压比增大,再结晶程度逐渐增大,AE7到AE11动态再结晶形核占主导,再结晶细晶数量增多,尺寸无明显变化,AE11到AE17动态再结晶形核和长大同时进行,再结晶细晶数量增多,且尺寸增大。AE17再结晶程度大,组织较均匀,AE7和AE11中形成部分再结晶异构组织,其中AE7具有最佳的强韧结合。其较小的平均晶粒尺寸和未再结晶粗晶的硬取向所导致的低Schmid因子,以及最大的HDI强化和硬化是其强度和塑性较高的原因。

关键词： 生物材料   物理交联   网络结构   机械强度   回弹性能   生物相容性  

摘要： 每年都有数百万人因突发事件或器官衰竭而导致组织或器官的损伤,人工组织的再生对于需要新器官或组织的患者来说,是一项至关重要的策略,这项策略的关键则在于支架的构建。人工组织支架必须具备出色的生物相容性、降解能力、细胞粘附性及机械性能,这与支架的组成材料及构建方式息息相关。本研究以天然高分子材料或合成聚合物材料为基材,采用物理或化学交联的方式,构建了两种水凝胶支架,并对其生物相容性、机械性能、孔洞结构和溶胀性能等方面进行评估,探讨其在组织工程领域应用的潜力。具体内容如下:(1)基于聚乙烯醇和甲基纤维素的高强度水凝胶的制备及表征通过冻融循环的方法将聚乙烯醇(PVA)和甲基纤维素(MC)巧妙结合在一起,制备得到聚乙烯醇-甲基纤维素(MP)复合水凝胶,该方法具有制备工艺简单且无毒无害的优点。实验结果表明,PVA和MC之间形成了稳定的氢键交联点,并且随着冻融次数的增加,PVA与MC之间的交联度更高,其中可调节的交联度能改变凝胶的诸多性能,包括可调节的溶胀性能和可调节的孔洞大小。此外,该复合水凝胶在MC和PVA配比为(2:8)时具有出色的机械性能,其中拉伸应变高达400%,压缩模量达到12 MPa,并且还具备反复压缩50次不变形的优异回弹能力。最后,细胞毒性结果测试和细胞在水凝胶材料上的生长状况也反映了MP复合水凝胶的良好生物相容性,以及良好的细胞粘附效果。这种简易可行方法制备的高强度MP复合水凝胶的研究,不仅为其工业生产拓宽了思路,也让其具有应用到生物医学领域的潜力。(2)基于胶原蛋白可生物降解的双网络水凝胶的制备及表征本研究构建了一种基于胶原蛋白(COL)和PEG衍生物(PEGF)的复合水凝胶支架结构。H NMR和FTIR测试表明,成功制备了PEGF聚合物和COL-PEGF双网络水凝胶。压缩测试和流变学测试表明,与单纯的COL水凝胶或PEGF水凝胶相比,COL-PEGF双网络水凝胶具备显著增强的凝胶机械强度和粘附效果。此外,降解测试表明,COL使双网络水凝胶能够通过胶原酶促降解,使水凝胶具备可调节的降解能力。SEM测试表明,COL-PEGF双网络水凝胶不仅显示出了COL和PEGF的结构特性,还具备均匀分布的孔洞结构和合适的孔壁厚度。最后,具有高达90%含水量的COL-PEGF双网络水凝胶对NIH-3T3细胞无明显毒性和良好的细胞粘附性。因此,这项研究表明COL-PEGF双网络水凝胶有应用到生物医学支架方向的潜力。