添加 Sb 對醫用鑄造 Mg-4wt% Zn 合金 顯微組織、力學性能的影響
引言
許多臨床體内和體外研究已經推薦使用鎂基植入物，因為它們具有良好的生物相容性和與天然骨骼相當的機械性能。鎂的密度為1.7-2.0克/立方厘米，略低于天然骨骼的密度（1.8-2.1克/立方厘米），其彈性模量（41-45 GPa）接近于人體骨骼的彈性模量（10-40 GPa）。
鎂作為植入物的應用存在一些限制，特别是在像人體這樣的富含氯化物的侵蝕媒體中，其降解速率較高。這種植入物可能在新組織完全愈合之前降解并減少其機械性能。元素合金化和表面改性是改善鎂快速降解和提高其機械性能的有效方法，有助于降低腐蝕。
許多元素，如鈣、錳、鋁、鋅、矽和锶，被用作鎂的合金元素。鋅（Zn）和銻（Sb）被選為合金元素。鋅是常用的鎂合金合金化元素，其增強效果僅次于鋁。它還有助于消除鐵和鎳等雜質的有害效應，進而提高鎂合金的耐腐蝕性。
為了提高制備合金的耐腐蝕性和生物相容性，表面将被塗覆上鈣磷（Ca-P）層。鈣和磷是骨骼礦物質的主要成分。Ca-P塗層，特别是骨生成導向礦物質如羟基磷灰石（HA）和三鈣磷酸鹽（TCP），對于建構新骨并促進鎂植入物周圍的骨整合應該是有益的。
但由于鎂具有高反應性和相對較低的熔點（650°C）等特殊性質，并非所有塗層方法都适用于鎂。由于仿生塗層在塗覆可生物降解基材（如鎂合金）時會減少在模拟體液中的孵育時間，這會導緻在鎂基材表面形成非均勻和多孔的Ca-P塗層，并在浸泡過程中在鎂表面産生氫氣泡。
所研究的合金的基本成分是Mg-4wt％ Zn。為了研究銻對顯微組織、機械性能和降解速率的影響，在基礎合金中添加了0.5wt％的銻。合金是由商用純鎂（純度為99.8wt％）、鋅（純度為99.98wt％）和銻（純度為99.99wt％）制備而成的。
所有金相試樣都在鑄件底部的同一位置切割，距離底部10毫米處。試樣的研磨是在濕式SiC砂紙上進行的，一直到1200号的砂粒尺寸，然後用顆粒大小為1到6微米的金剛石在尼龍布上進行細磨，用水和乙醇沖洗。
通過失重測量獲得的體外降解方法評估耐腐蝕性能，該方法通過将合金樣品浸泡在SBF中進行。與人體血漿相比，c-SBF的化學組成已在幾項研究中報道。初始溶液的pH值調整為7.4。整個測試槽在37˚C ± 1˚C的搖水浴中保持，以防止樣品表面上的沉澱物聚集。
在去除腐蝕産物後，每24小時測量一次樣品的重量。根據以下方程式根據标準計算腐蝕速率：
DR=ΔmATρ
其中：DR是腐蝕速率（mm/hr），Δm是品質損失（g），A是暴露在SBF中的初始表面積（mm2），T是浸泡時間（hr），ρ是被測試樣品的密度（g/mm3）。
浸泡Mg-4wt% Zn和Mg-4wt% Zn-0.5wt% Sb塗層樣品14天後，通過紫外可見分光光度計和特定試劑盒（Biodiagnostic，埃及診斷和研究試劑）在波長640 nm和585 nm處測量了SBF中的Ca和P離子濃度。
浸入模拟媒體中的腐蝕評價
在塗層樣品中，初始階段，由于塗層的存在，降解速率較低。塗層能形成緻密的Mg(OH)2層，可以減少腐蝕速率。然而，在浸泡48小時以上，兩種塗層樣品的降解速率增加。這是因為保護性的Mg(OH)2層轉變為更易溶解的MgCl2。
在浸泡3天後重新整理溶液，發現所有樣品的降解速率再次增加。這是由Cl-離子引起的，它加速了鎂的電化學反應速率，導緻Mg基體更多地降解。随着曝光時間的延長，腐蝕速率達到穩定狀态，Mg(OH)2的生成速率與MgCl2的破壞速率相等。在浸泡時間結束時，觀察到Mg-4Zn-0.5Sb樣品的降解速率最低，特别是塗層樣品。
顯示了Mg-4Zn和Mg-4Zn-0.5Sb合金在SBF溶液中浸泡336小時後的表面顯微圖。顯示了空氣中表面層脫水形成的表面裂紋。裂紋的存在加速了基體的腐蝕，使溶液與基體接觸。裸露的Mg-4Zn合金和Mg-4Zn-0.5Sb顯示出更深的裂紋。
結論
作為可降解金屬植入物的熔鑄Mg-4wt% Zn和Mg-4wt% Zn-0.5wt% Sb合金。這些合金主要由基體α-Mg和次生相MgZn組成。添加銻（Sb）可以細化晶粒尺寸并改善力學性能，因為形成了Mg3Sb2的次生相。
Ca-P處理提供了一層保護層，提高了抗腐蝕性能。裸露的Mg-4Zn合金和塗層的Mg-4Zn合金在浸泡時間結束時的降解速率分别從3.5 mm/yr和2.5 mm/yr降低到了裸露的Sb添加合金和塗層的Sb添加合金的1.4 mm/yr和0.7 mm/yr。明顯可以看出，添加Sb和塗層工藝是增強降解行為的非常有效的步驟。
