新的鎂研究為新的生物醫(yī)學(xué)材料鋪平了道路
來源：IFJ PAN
鎂的表面機(jī)械磨損處理（SMAT）提高了其強(qiáng)度和耐蝕性。（圖片來源：IFJ PAN）
用于生物醫(yī)學(xué)的材料必須具有可控制的生物降解性、足夠的強(qiáng)度和對人體完全沒有毒性的特點(diǎn)。因此，尋找這些材料并不是一項(xiàng)簡單的任務(wù)。在這種情況下，科學(xué)家們對鎂很感興趣。近期，利用正電子湮沒光譜等技術(shù)，研究人員能夠證明經(jīng)過表面機(jī)械磨損處理的鎂獲得了生物相容性材料所需的性能。
腐蝕速率可控的材料越來越受到人們的關(guān)注。這尤其適用于生物醫(yī)學(xué)，在那里植入物由天然或合成聚合物制成。它們的優(yōu)點(diǎn)是在生理?xiàng)l件下可以很容易地調(diào)節(jié)分解速率。另一方面，這些材料的力學(xué)性能在人體環(huán)境中惡化，不適合高應(yīng)力應(yīng)用。基于這個(gè)原因，基于鎂的對人體完全無害的金屬植入物似乎是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
鎂是結(jié)構(gòu)應(yīng)用中非常輕的金屬。由于其機(jī)械、熱學(xué)和電學(xué)特性以及生物降解性和腐蝕速率可控性，它引起了研究人員對生物相容性植入物的極大興趣。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但由于鎂在人體環(huán)境中的腐蝕速率相對較高，鎂作為一種生物材料用于植入物的生產(chǎn)并不容易。然而，這個(gè)問題可以通過使用適當(dāng)?shù)耐繉觼砜朔?/p>
在多年的研究中，人們注意到材料的細(xì)晶組織不僅可以改善材料的力學(xué)性能，而且可以顯著提高材料的耐蝕性。這就是為什么由波蘭克拉科夫科學(xué)院核物理研究所的Ewa Dryzek教授領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組設(shè)定了量化商業(yè)級鎂的表面機(jī)械磨損處理（SMAT）對其耐腐蝕性的影響的原因。在這種方法中，大量直徑幾毫米的不銹鋼球撞擊目標(biāo)材料的表面，造成次表層的塑性變形。塑性變形伴隨著大量晶格缺陷的產(chǎn)生。
采用典型的研究技術(shù)，如光鏡和電子顯微鏡、X射線衍射（XRD）、電子背散射衍射（EBSD）和顯微硬度測量來描述微觀結(jié)構(gòu)。
顯微鏡檢查顯示，在SMAT加工過程中，材料表層的微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。我們觀察到靠近處理表面的晶粒明顯細(xì)化。變形孿晶在更深的地方可見，其密度隨著與表面距離的增加而降低”，Dryzek教授解釋道。
作為這項(xiàng)工作的一部分，使用了正電子湮沒光譜（PAS）。這種技術(shù)是無損的，可以在原子水平上識別晶格缺陷。它包含了這樣一個(gè)事實(shí)：當(dāng)正電子被植入到一個(gè)材料樣品中并與它們的反粒子，即電子相遇時(shí)，它們湮滅并變成可以被記錄的光子。正電子在途中發(fā)現(xiàn)晶格中的一個(gè)開體積缺陷，就可以被困在里面。這會延長時(shí)間直到它消失。通過測量正電子的壽命，研究人員可以在原子水平上了解樣品的結(jié)構(gòu)。
使用該方法的目的是，特別是獲得表面層中由于SMAT處理而產(chǎn)生的晶格缺陷分布的信息。此外，它還被用于研究厚度為幾微米的材料層，位于處理表面的正下方，并將獲得的信息與腐蝕性能聯(lián)系起來。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)榫Ц袢毕輿Q定了材料的關(guān)鍵性能，例如在冶金或半導(dǎo)體技術(shù)中。
“120秒SMAT處理獲得的200微米層中正電子的平均壽命顯示出244皮秒的高恒定值。這意味著，從源發(fā)射到這一層的所有正電子都湮沒在結(jié)構(gòu)缺陷中，也就是說，晶格中被稱為空位的缺失原子，在這種情況下，空位與位錯(cuò)有關(guān)。這一層對應(yīng)于具有細(xì)晶粒的強(qiáng)烈變形區(qū)域。更深入地說，正電子的平均壽命縮短，這表明缺陷的濃度在降低，在離表面約1毫米的距離處，達(dá)到了我們的參考材料、退火良好的鎂的數(shù)值特征，結(jié)構(gòu)缺陷密度相對較低，這是我們的參考材料”，文章的主要作者和研究的發(fā)起者，描述了工作的細(xì)節(jié)。
在電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)中，SMAT工藝顯著影響了鎂樣品的行為。SMAT引起的結(jié)構(gòu)變化增加了鎂對陽極氧化的敏感性，加劇了表面氫氧化物膜的形成，從而提高了耐蝕性。俄羅斯杜布納聯(lián)合核研究所利用正電子束獲得的結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。結(jié)果表明，除表面存在晶界和亞晶界外，位錯(cuò)、空位等晶體缺陷也對鎂的腐蝕行為起著重要作用。
“我們目前正在對鈦進(jìn)行類似的研究。鈦是一種廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、能源和化學(xué)工業(yè)的金屬。它也被用作生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和植入物的材料。Dryzek 教授說：“一種經(jīng)濟(jì)上可接受的方法，即在靠近表面的層中獲得具有納米顆粒的梯度微觀結(jié)構(gòu)的純鈦，可能會為鈦在對全球經(jīng)濟(jì)和改善人類生活舒適性至關(guān)重要的產(chǎn)品中的應(yīng)用開展更廣闊的前景。”。
論文鏈接：https://www.mdpi.com/1996-1944/13/18/4002
原文鏈接：https://press.ifj.edu.pl/en/news/2020/12/17/
聲明：本文由 Newfellow 編譯，中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。
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