添加 Sb 对医用铸造 Mg-4wt% Zn 合金 显微组织、力学性能的影响
引言
许多临床体内和体外研究已经推荐使用镁基植入物，因为它们具有良好的生物相容性和与天然骨骼相当的机械性能。镁的密度为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），其弹性模量（41-45 GPa）接近于人体骨骼的弹性模量（10-40 GPa）。
镁作为植入物的应用存在一些限制，特别是在像人体这样的富含氯化物的侵蚀介质中，其降解速率较高。这种植入物可能在新组织完全愈合之前降解并减少其机械性能。元素合金化和表面改性是改善镁快速降解和提高其机械性能的有效方法，有助于降低腐蚀。
许多元素，如钙、锰、铝、锌、硅和锶，被用作镁的合金元素。锌（Zn）和锑（Sb）被选为合金元素。锌是常用的镁合金合金化元素，其增强效果仅次于铝。它还有助于消除铁和镍等杂质的有害效应，从而提高镁合金的耐腐蚀性。
为了提高制备合金的耐腐蚀性和生物相容性，表面将被涂覆上钙磷（Ca-P）层。钙和磷是骨骼矿物质的主要成分。Ca-P涂层，特别是骨生成导向矿物质如羟基磷灰石（HA）和三钙磷酸盐（TCP），对于构建新骨并促进镁植入物周围的骨整合应该是有益的。
但由于镁具有高反应性和相对较低的熔点（650°C）等特殊性质，并非所有涂层方法都适用于镁。由于仿生涂层在涂覆可生物降解基材（如镁合金）时会减少在模拟体液中的孵育时间，这会导致在镁基材表面形成非均匀和多孔的Ca-P涂层，并在浸泡过程中在镁表面产生氢气泡。
所研究的合金的基本成分是Mg-4wt％ Zn。为了研究锑对显微组织、机械性能和降解速率的影响，在基础合金中添加了0.5wt％的锑。合金是由商用纯镁（纯度为99.8wt％）、锌（纯度为99.98wt％）和锑（纯度为99.99wt％）制备而成的。
所有金相试样都在铸件底部的同一位置切割，距离底部10毫米处。试样的研磨是在湿式SiC砂纸上进行的，一直到1200号的砂粒尺寸，然后用颗粒大小为1到6微米的金刚石在尼龙布上进行细磨，用水和乙醇冲洗。
通过失重测量获得的体外降解方法评估耐腐蚀性能，该方法通过将合金样品浸泡在SBF中进行。与人体血浆相比，c-SBF的化学组成已在几项研究中报道。初始溶液的pH值调整为7.4。整个测试槽在37˚C ± 1˚C的摇水浴中保持，以防止样品表面上的沉淀物聚集。
在去除腐蚀产物后，每24小时测量一次样品的重量。根据以下方程式根据标准计算腐蚀速率：
DR=ΔmATρ
其中：DR是腐蚀速率（mm/hr），Δm是质量损失（g），A是暴露在SBF中的初始表面积（mm2），T是浸泡时间（hr），ρ是被测试样品的密度（g/mm3）。
浸泡Mg-4wt% Zn和Mg-4wt% Zn-0.5wt% Sb涂层样品14天后，通过紫外可见分光光度计和特定试剂盒（Biodiagnostic，埃及诊断和研究试剂）在波长640 nm和585 nm处测量了SBF中的Ca和P离子浓度。
浸入模拟介质中的腐蚀评价
在涂层样品中，初始阶段，由于涂层的存在，降解速率较低。涂层能形成致密的Mg(OH)2层，可以减少腐蚀速率。然而，在浸泡48小时以上，两种涂层样品的降解速率增加。这是因为保护性的Mg(OH)2层转变为更易溶解的MgCl2。
在浸泡3天后刷新溶液，发现所有样品的降解速率再次增加。这是由Cl-离子引起的，它加速了镁的电化学反应速率，导致Mg基体更多地降解。随着曝光时间的延长，腐蚀速率达到稳定状态，Mg(OH)2的生成速率与MgCl2的破坏速率相等。在浸泡时间结束时，观察到Mg-4Zn-0.5Sb样品的降解速率最低，特别是涂层样品。
显示了Mg-4Zn和Mg-4Zn-0.5Sb合金在SBF溶液中浸泡336小时后的表面显微图。显示了空气中表面层脱水形成的表面裂纹。裂纹的存在加速了基体的腐蚀，使溶液与基体接触。裸露的Mg-4Zn合金和Mg-4Zn-0.5Sb显示出更深的裂纹。
结论
作为可降解金属植入物的熔铸Mg-4wt% Zn和Mg-4wt% Zn-0.5wt% Sb合金。这些合金主要由基体α-Mg和次生相MgZn组成。添加锑（Sb）可以细化晶粒尺寸并改善力学性能，因为形成了Mg3Sb2的次生相。
Ca-P处理提供了一层保护层，提高了抗腐蚀性能。裸露的Mg-4Zn合金和涂层的Mg-4Zn合金在浸泡时间结束时的降解速率分别从3.5 mm/yr和2.5 mm/yr降低到了裸露的Sb添加合金和涂层的Sb添加合金的1.4 mm/yr和0.7 mm/yr。明显可以看出，添加Sb和涂层工艺是增强降解行为的非常有效的步骤。
