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最新的镁研究为新型生物医学材料铺平了道路

生物医学中使用的材料必须具有可控制的生物降解性,足够的强度以及对人体完全没有毒性的特征。因此,寻找此类材料并不是一项简单的任务。在这种情况下,科学家对镁的兴趣由来已久。最近,使用正电子an没光谱等技术,研究人员能够证明经过表面机械磨损处理的镁具有生物相容性材料所需的特性。

显示出受控腐蚀速率的材料越来越受到人们的关注。这尤其适用于使用天然或合成聚合物制成的植入物的生物医学。它们的优点是可以在生理条件下容易地调节分解速率。另一方面,这些材料的机械性能在人体环境中恶化,使其不适用于高应力应用。因此,基于镁的金属植入物对人体完全无害,似乎是一个不错的选择。

镁是可用于结构应用的最轻金属。由于其机械,热和电性能以及生物降解性和受控的腐蚀速率,它引起了研究生物相容性植入物的研究人员的极大兴趣。尽管具有这些优点,但是由于在人体环境中相对较高的腐蚀速率,使用镁作为生物材料来生产植入物并不容易。但是,可以通过使用适当的涂层来克服此问题。

在多年的研究中,人们注意到材料的细微组织不仅可以改善其机械性能,而且还可以显着提高其耐腐蚀性。这就是为什么由克拉科夫波兰科学院核物理研究所的Ewa Dryzek教授领导的国际研究小组设定了量化商业级镁的表面机械磨损处理(SMAT)对镁的影响的目标的原因。耐腐蚀性能。在这种方法中,直径为几毫米的大量不锈钢球击中了目标材料的表面,导致了表面下层的塑性变形。塑性变形伴随着大量晶格缺陷的产生。

典型的研究技术,如光和电子显微镜,X射线衍射(XRD),电子背散射衍射(EBSD)和显微硬度测量被用来描述显微组织。

“显微镜检查显示了在SMAT加工过程中形成的材料表面层的逐渐变化的微观结构。我们观察到在处理过的表面附近有大量晶粒细化。形变孪晶在更深处可见,其密度随着与该表面距离的增加而降低,” Dryzek教授。

作为这项工作的一部分,第一次使用了正电子an没光谱法(PAS)。该技术是非破坏性的,可以识别原子级的晶格缺陷。这是因为,当将正电子植入材料样品中并遇到其反粒子(即电子)时,它们会ni灭并变成可以注册的光子。在正途中发现晶格中存在开放体积缺陷的正电子可被困在其中。这延长了时间,直到它消灭为止。测量正电子的寿命可以使研究人员在原子水平上了解样品的结构。

使用该方法的目的尤其是获得有关SMAT处理导致的表面层中晶格缺陷分布的信息。而且,它被用来研究位于被处理表面正下方的几微米厚的材料层,并将获得的信息与腐蚀性能联系起来。这很重要,因为晶格缺陷决定了材料的关键特性,例如在冶金或半导体技术中所使用的材料。

“通过120秒SMAT处理获得的200微米层中的正电子的平均寿命显示出244皮秒的高恒定值。这意味着从源发出的到达该层的所有正电子会structure灭结构缺陷,即原子缺失在这种情况下,与位错有关的晶格位点中的空位,该层对应于具有细晶粒的强烈变形区域,更深的是,正电子的平均寿命降低,这表明缺陷浓度降低,达到距表面约1毫米的距离是经过退火的镁的特征值,具有相对较低的结构缺陷密度,这是我们的参考材料。” 学生Konrad Skowron,

在电化学腐蚀测试中,SMAT过程极大地影响了镁样品的行为。由SMAT引起的结构变化增加了镁对阳极氧化的敏感性,从而增强了表面上氢氧化物膜的形成,因此导致更好的耐腐蚀性。俄罗斯杜布纳联合核科学研究所使用正电子束获得的结果证实了这一点。结果表明,除了表面上存在晶粒和亚晶界以外,其他晶体缺陷(例如位错和空位)也可以在镁的腐蚀行为中起重要作用。

“我们目前正在对钛进行类似的研究。钛是一种广泛用于航空航天,汽车,能源和化学工业的金属。它还被用作生产生物医学设备和植入物的材料。一种经济上可接受的方法可以要获得具有梯度微结构且表面相邻层中具有纳米晶粒的纯钛,可能会为在对全球经济和改善人类生活舒适性至关重要的产品中使用钛开辟更广阔的前景。” Dryzek教授说。

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