新的鎂研究為新的生物醫學材料鋪平了道路
來源：IFJ PAN
鎂的表面機械磨損處理（SMAT）提高了其強度和耐蝕性。（圖片來源：IFJ PAN）
用于生物醫學的材料必須具有可控制的生物降解性、足夠的強度和對人體完全沒有毒性的特點。因此，尋找這些材料并不是一項簡單的任務。在這種情況下，科學家們對鎂很感興趣。近期，利用正電子湮沒光譜等技術，研究人員能夠證明經過表面機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注。這尤其適用于生物醫學，在那里植入物由天然或合成聚合物制成。它們的優點是在生理條件下可以很容易地調節分解速率。另一方面，這些材料的力學性能在人體環境中惡化，不適合高應力應用。基于這個原因，基于鎂的對人體完全無害的金屬植入物似乎是一個不錯的選擇。
鎂是結構應用中非常輕的金屬。由于其機械、熱學和電學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。盡管有這些優點，但由于鎂在人體環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并不容易。然而，這個問題可以通過使用適當的涂層來克服。
在多年的研究中，人們注意到材料的細晶組織不僅可以改善材料的力學性能，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院核物理研究所的Ewa Dryzek教授領導的國際研究小組設定了量化商業級鎂的表面機械磨損處理（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生。
采用典型的研究技術，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構。
顯微鏡檢查顯示，在SMAT加工過程中，材料表層的微觀結構逐漸發生變化。我們觀察到靠近處理表面的晶粒明顯細化。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。
作為這項工作的一部分，使用了正電子湮沒光譜（PAS）。這種技術是無損的，可以在原子水平上識別晶格缺陷。它包含了這樣一個事實：當正電子被植入到一個材料樣品中并與它們的反粒子，即電子相遇時，它們湮滅并變成可以被記錄的光子。正電子在途中發現晶格中的一個開體積缺陷，就可以被困在里面。這會延長時間直到它消失。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構。
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系起來。這一點很重要，因為晶格缺陷決定了材料的關鍵性能，例如在冶金或半導體技術中。
“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，從源發射到這一層的所有正電子都湮沒在結構缺陷中，也就是說，晶格中被稱為空位的缺失原子，在這種情況下，空位與位錯有關。這一層對應于具有細晶粒的強烈變形區域。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，達到了我們的參考材料、退火良好的鎂的數值特征，結構缺陷密度相對較低，這是我們的參考材料”，文章的主要作者和研究的發起者，描述了工作的細節。
在電化學腐蝕試驗中，SMAT工藝顯著影響了鎂樣品的行為。SMAT引起的結構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。俄羅斯杜布納聯合核研究所利用正電子束獲得的結果證實了這一點。結果表明，除表面存在晶界和亞晶界外，位錯、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行類似的研究。鈦是一種廣泛應用于航空航天、汽車、能源和化學工業的金屬。它也被用作生產生物醫學設備和植入物的材料。Dryzek 教授說：“一種經濟上可接受的方法，即在靠近表面的層中獲得具有納米顆粒的梯度微觀結構的純鈦，可能會為鈦在對全球經濟和改善人類生活舒適性至關重要的產品中的應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，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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