课题基金 / 基金详情

镁合金骨植入材料在葡萄糖与多因素耦合下剥蚀机理研究

批准号:
52071191
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
曾荣昌
依托单位:
学科分类:
金属材料使役行为与表面工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
曾荣昌

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
我国高血糖和糖尿病患者高发和镁合金剥蚀的发现提示镁合金骨植入材料发展面临新挑战。然而,镁合金剥蚀机制尚不清楚。本项目拟利用现代表面表征技术如EBSD、原位TEM、微区电化学分析和自制压应力电化学腐蚀装置,研究镁合金在压应力下微结构及塑性变形机制、微区电化学电位分布及动力学特征,揭示其在含葡萄糖等有机分子模拟液中的剥蚀机理;通过热处理、微弧氧化处理,调控其组织和耐蚀性能,建立挤压态镁合金微观组织、电化学特征、腐蚀产物、应力与剥蚀的关系,提出镁合金剥蚀机制和防护措施;采用分子动力模拟和表面表征方法,探究镁合金及微弧氧化膜在含葡萄糖及蛋白质的人体模拟体液中剥蚀行为,分析葡萄糖、蛋白质及其耦合的构象演化、吸附行为、腐蚀行为等关键因素,建立表面有机分子吸附对镁合金腐蚀特性和生物相容性机理模型;比较在体和体外腐蚀试验结果,从多因素、多层次理解剥蚀机理,促进腐蚀学科的发展。该项目有重要的理论和临床意义。
英文摘要
In view of the hyperglycemia and high incidence of diabetes in our country, and the finding of exfoliation corrosion on magnesium alloy, the development of degradable magnesium alloy bone implants faces novel challenges. However, the exfoliation mechanism remains unclear. This project intends to use advanced surface characterization techniques such as EBSD, in-situ TEM, micro-area electrochemical analysis and self-made compressive stress electrochemical corrosion device to study the microstructure and plastic deformation mechanism of magnesium alloy under compressive stress, and micro-area electrochemical potential distribution and dynamic characteristics. This project focuses on revealing the mechanism of exfoliation corrosion of magnesium alloy in simulated body fluids containing glucose organic molecules. Through heat treatment and micro-arc oxidation treatment, the structure and corrosion resistance are adjusted. The relationship between microstructure, electrochemical characteristics, corrosion product as well as stress with exfoliation corrosion of the extruded magnesium alloy will be established. The formation mechanism of exfoliation corrosion and protective measures of magnesium alloy are proposed. The molecular dynamics simulation and surface characterization methods are adopted to explore the exfoliation corrosion behavior of magnesium alloy and micro-arc oxidation film in simulated body fluid containing glucose and protein. The key factors such as conformational evolution, adsorption behavior, and corrosion behavior of glucose, proteins and their couplings are used to establish the model of the corrosion characteristics and biocompatibility mechanism of magnesium alloys adsorbed on the surface by organic molecules. The in vivo and in vitro corrosion test results will be compared. The mechanism of exfoliation corrosion of magnesium can be understood from multiple factors and multi-level. This project can promote the development of corrosion discipline. The project has important theoretical and clinical practical significance.
随着我国人口老化且糖尿病高发,镁合金骨植入材料面临新腐蚀问题挑战。利用SEM、EBSD、TEM、(微区)电化学分析和微压应力装置和机器学习方法,研究了镁合金在微小压应力下微观结构演化规律、应力及室温塑性变形室温再结晶机制、微区电化学电位分布及动力学特征,揭示了晶粒度的影响及葡萄糖、蛋白质模拟液中剥蚀机理;通过热处理调控组织和耐蚀性能,建立了挤压态镁合金微观组织、电化学特征、腐蚀产物、应力与剥蚀的关系,提出了镁合金剥蚀机制和防护措施;研究了镁合金表面蒙脱石涂层生物相容性机理。获得以下结果:. 1.提高葡萄糖浓度增加了Mg-4Li-1Ca合金剥蚀敏感性;加入蛋白质抑制了剥蚀;若蛋白质中增加葡萄糖浓度反而抑制剥蚀。葡萄糖和蛋白质优先吸附在优先腐蚀的第二相Mg2Ca相周围。挤压镁合金表面细晶组织阻滞了剥蚀。去除其表层后,促进了剥蚀。固溶处理可抑制EFC。. 2.首次发现挤压态Mg-4Li-1Ca合金在常温微小静压应力(0-6MPa)下反常再结晶晶粒长大机制。在3 MPa的压应力作用下,再结晶晶粒长大,降解速率加快。恒定微小压应力导致由位错组成的亚晶界合并,进而导致再结晶发生和晶粒长大。. 3.基于模拟退火算法结合第一性原理,建立了Mg-1Ca、Mg-1Li-1Ca和Mg-4Li-1Ca的计算模型,揭示了Li和Ca原子在α-Mg中的均匀分布趋势及其对腐蚀电流密度的影响。. 4.开发了微弧氧化、Ca-P涂层和蒙脱土等表面处理技术。其中,仿生席夫碱、氨基酸、VC等小分子诱导形成的Ca-P涂层具有优越的耐蚀性和生物相容性。镁合金蒙脱土涂层具有良好的在体生物相容性和骨修复性能。. 本项目阐释了医用镁合金剥蚀机理及防护措施与生物相容性,促进腐蚀学科和镁合金生物材料的发展。研究成果已在学术期刊上发表22篇文章,SCI论文20篇,其中一、二区论文18篇,培养了1名博士研究生和15名硕士研究生。其中5位考取211、985大学博士生,2位获国家奖学金,1位获得山东省优秀硕士论文。项目负责人荣获IAAM会士、国际镁科学技术奖2023年度人物奖、2024年度特别创新贡献奖、爱思唯尔2021-3中国高被引作者、2024年度中国知网高被引学者Top1%。参加40次会议或学术交流,会议特邀报告15次,全国腐蚀大会大会报告1次,会议(分)主席4次
镁合金骨植入材料在葡萄糖与多因素耦合下的微环境界面降解、分子识别机理及生物相容性研究
  • 批准号:
    51571134
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    曾荣昌
  • 依托单位:
新型Mg合金/磷酸转化膜涂层体系的构建、降解机理及骨活性研究
  • 批准号:
    51241001
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    15.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    曾荣昌
  • 依托单位:
国内基金
海外基金