纳米蜂窝结构增强生物镁合金的激光制备及其降解机理研究

批准号:
51705540
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
高成德
依托单位:
学科分类:
E0508.成形制造
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘德福、宾石珍、覃天、杨友文、周圆卓、孙航、帅陈颖、贺崇贤
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中文摘要
生物镁合金具有优异的生物相容性和力学相容性,但降解速率过快极大的限制了其在骨修复中的应用。本项目利用激光选区熔化技术制备纳米蜂窝结构增强的生物镁合金,其中纳米蜂窝结构是由氧化石墨烯(GO)构建的第二相,而生物镁合金晶粒包裹于蜂窝单元中,以期利用GO突出的物理屏蔽作用和力学性能提高生物镁合金的耐腐蚀性能与力学强度。研究激光多场耦合下生物镁合金的熔池形成与凝固机理,揭示成形过程中纳米蜂窝结构的形成条件及优化策略;探索GO在生物镁合金基体中的均匀分散方法,查明GO对生物镁合金显微组织和力学性能的影响规律;重点研究体液环境下GO/生物镁合金的降解行为和生物活性,分析蜂窝状第二相包裹下生物镁合金的降解速率及力学性能演变规律,揭示降解过程中纳米蜂窝结构对生物镁合金的保护机制,形成生物镁合金可控降解和力学稳定的最优结构匹配准则及其快速制造技术,为开发满足骨修复要求的生物镁合金奠定理论基础。
英文摘要
Biomedical magnesium alloys possess excellent biocompatibility and mechanical compatibility, but the too fast degradation rates significantly limit their application in bone repair. In this project, selective laser melting is used to fabricate honeycomb nanostructure enhanced biomedical magnesium alloys, in which the honeycomb nanostructure is a second phase constructed by graphene oxide (GO) while the grains of biomedical magnesium alloys are wrapped in the honeycomb unit, aiming to improve the corrosion resistance and mechanical strength of biomedical magnesium alloys through the prominent physical shielding effect and mechanical properties of GO. The formation of molten pool and solidification mechanism of biomedical magnesium alloys under laser multi-field coupling will be studied, and the formation conditions and optimization strategies of honeycomb nanostructure during the fabrication process will be revealed. Moreover, the uniform dispersion methods of GO in the matrix of biomedical magnesium alloy will be explored, and the effects of GO on the microstructure and mechanical properties of biomedical magnesium alloys will also be investigated. Emphasis will be put on the degradation behavior and bioactivity of GO/biomedical magnesium alloys under body fluid environment. The evolution rules of degradation and mechanical properties of biomedical magnesium alloys wrapped in honeycomb-like second phase will be analyzed. And then the protective mechanisms of the honeycomb nanostructure to biomedical magnesium alloys during the degradation process will be revealed. Based on the above research, the optimal structure matching criterions and corresponding rapid manufacturing technology for the controlled degradation and mechanical stability of biomedical magnesium alloys will be established, which may provide the theoretical basis for developing biomedical magnesium alloys that meet the requirements for bone repair.
生物镁合金在可降解植入物领域引起了广泛的关注,但降解速率过快限制了其应用。氧化石墨烯(GO)具有非常优异的抗渗透性、化学惰性和良好的生物相容性,已被证实能够通过屏蔽作用阻碍腐蚀介质与合金的接触;选区激光熔化(SLM)技术具有加工过程冷却速度快的特点,有望避免GO在合金高温成型过程中的结构破坏。为此,本项目提出利用SLM技术制备GO蜂窝结构包裹的生物镁合金,主要研究内容与发现包括:开发了面向生物镁合金的SLM成型系统,研究了SLM成型工艺对蜂窝结构形成的影响,发现在SLM加工过程中,GO能够保持结构稳定,并细化了镁合金晶粒,同时在SLM加工制备后GO形成蜂窝结构;查明了蜂窝结构与生物镁合金降解行为的关联规律,发现由于GO优异的抗渗透性和化学惰性,蜂窝结构成为抑制腐蚀传播的紧密屏障,阻碍了腐蚀介质与合金晶粒的接触,使AZ61镁合金的降解速率降低了31%,且促进了细胞在生物镁合金上的粘附与增殖;探索了界面桥强化蜂窝包裹生物镁合金的SLM制备工艺及其界面特性,发现在SLM成型后MgO作为界面桥不仅与镁合金基体形成了半共晶格的界面结构,而且与蜂窝结构形成了纳米尺度位错应变场,强化了蜂窝结构与镁合金基体之间的界面结合,改善了蜂窝包裹生物镁合金的降解抗力,且提升的界面结合强度阻碍了位错移动,从而提高了AZ61合金的抗压强度和硬度;研究了SLM过程中原位反应对蜂窝包裹生物镁合金降解行为和力学性能的影响,发现激光熔化成型过程中二氧化钛(TiO2)、GO和AZ61合金体系发生了原位反应,熔池中的镁将TiO2还原并进一步与GO以及合金中的铝发生反应,形成的金属界面相通过化学键合有效地增强了二者的界面结合,从而提高了蜂窝结构的牢固性和稳定性,进一步降低了生物镁合金的降解速率,且增强的界面结合、界面相强化以及晶粒细化确保了载荷有效转移,提升了蜂窝包裹生物镁合金的力学性能。本项目研究为可控降解和力学稳定生物镁合金的快速制造技术与装备提供了理论基础,推动了镁合金在骨缺损修复中的应用。研究成果共发表国内外SCI期刊论文12篇,授权国家发明专利7项,出版英文专著1部(排第2);研究成果获湖南医学科技一等奖(排第4)、湖南省自然科学二等奖(排第4)。
期刊论文列表
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专利列表
Island-to-acicular alteration of second phase enhances the degradation resistance of biomedical AZ61 alloy
第二相岛状到针状的转变增强了生物医用AZ61合金的抗降解能力
DOI:10.1016/j.jallcom.2020.155397
发表时间:2020-09
期刊:Journal of Alloys and Compounds (IF: 4.65,JCR一区,TOP期刊)
影响因子:--
作者:Liu Long;Ma Haotian;Gao Chengde;Shuai Cijun;Peng Shuping
通讯作者:Peng Shuping
DOI:10.1039/c8qm00507a
发表时间:2019
期刊:MATERIALS CHEMISTRY FRONTIERS (IF: 6.788,JCR一区,ESI高被引论文,期刊热点论文)
影响因子:--
作者:Shuai Cijun;Li Sheng;Peng Shuping;Feng Pei;Lai Yuxiao;Gao Chengde
通讯作者:Gao Chengde
TiO2-Induced In Situ Reaction in Graphene Oxide-Reinforced AZ61 Biocomposites to Enhance the Interfacial Bonding
氧化石墨烯增强 AZ61 生物复合材料中 TiO2 诱导的原位反应增强界面结合
DOI:10.1021/acsami.0c04020
发表时间:2020-05-20
期刊:ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
影响因子:9.5
作者:Shuai, Cijun;Wang, Bing;Gao, Chengde
通讯作者:Gao, Chengde
3D honeycomb nanostructure-encapsulated magnesium alloys with superior corrosion resistance and mechanical properties
具有优异耐腐蚀性和机械性能的3D蜂窝纳米结构封装镁合金
DOI:10.1016/j.compositesb.2019.01.031
发表时间:2019-04-01
期刊:COMPOSITES PART B-ENGINEERING
影响因子:13.1
作者:Shuai, Cijun;Wang, Bing;Gao, Chengde
通讯作者:Gao, Chengde
MnO2 catalysis of oxygen reduction to accelerate the degradation of Fe-C composites for biomedical applications
MnO2 催化氧还原加速 Fe-C 复合材料的降解用于生物医学应用
DOI:10.1016/j.corsci.2020.108679
发表时间:2020-07-01
期刊:CORROSION SCIENCE
影响因子:8.3
作者:Shuai, Cijun;Li, Sheng;Gao, Chengde
通讯作者:Gao, Chengde
机械合金化与激光3D打印异构骨支架的形性协同制造研究
- 批准号:2025JJ30015
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2025
- 负责人:高成德
- 依托单位:
磁致伸缩Fe-Ga合金的激光增材制造机理及细胞刺激响应研究
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:54万元
- 批准年份:2022
- 负责人:高成德
- 依托单位:
结构与功能适配骨植入物的激光3D打印机理与技术研究
- 批准号:2020JJ3047
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2020
- 负责人:高成德
- 依托单位:
石墨烯复合镁合金人工骨的增材制造与腐蚀行为研究
- 批准号:2018JJ3671
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2018
- 负责人:高成德
- 依托单位:
国内基金
海外基金
