Mg–Yb挤压合金的力学性能及体外降解行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanical properties and in-vitro degradation behaviors of Mg–Yb extrusion alloys

通过研究不同Yb含量Mg-Al合金的微观结构、力学性能和腐蚀行为，发现1.0 Yb合金因纳米级沉淀和致密氧化膜而具有最佳综合性能，适用于生物可降解植入材料。

　　镁基材料因其优异的生物相容性和可降解性，在植入式医疗器械领域展现出广阔的应用前景。然而，这类材料在生理环境下的绝对强度较低且易发生腐蚀，这在很大程度上限制了其在医疗领域的广泛应用。因此，开发具有良好机械性能与生物腐蚀抵抗能力协同作用的镁合金成为迫切需求。本研究聚焦于含有不同含量钇（Yb）的镁合金，通过热挤压工艺制造，并系统探讨了其微观结构演化、降解行为、体外生物相容性以及机械性能。研究结果表明，钇元素的添加显著影响了镁合金的性能表现，其作用机制在材料的降解与强化方面均展现出独特之处。

在研究过程中，我们观察到，随着钇含量的增加，镁合金的微观结构得到了明显细化。特别是在初始基底织构的弱化和倾斜方面，1.0 wt.% Yb添加的合金表现出更显著的改善。这种变化与基底晶面的弱化和滑移系统的增强密切相关，为材料的机械性能提升提供了重要支持。与此同时，钇元素的加入也对材料的降解行为产生了深远影响。在降解过程中，钇氧化物（Yb?O?）的生成对腐蚀产物膜的致密性起到了关键作用，从而提高了镁基体的降解抗性。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其纳米级的Mg?Yb析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成致密且均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。

此外，1.0 wt.% Yb合金在径向和横向截面上表现出较多的低能（0001）和（10-10）晶面，这些晶面在降解过程中具有较高的稳定性，从而增强了材料的腐蚀各向同性。相比之下，2.5 wt.% Yb合金由于粗大的钇颗粒的存在，导致了严重的微电池腐蚀现象。这些颗粒在材料表面形成较大的电位差，使腐蚀反应更加集中，从而引发了局部腐蚀攻击和快速降解。这种现象表明，虽然较高的钇含量可能带来更强的机械性能，但其对腐蚀行为的负面影响同样显著，这可能限制了其在生物降解材料中的应用。

在机械性能方面，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的屈服强度和延展性，而2.5 wt.% Yb合金则在屈服强度上有所提升，但延展性有所下降。这种差异与材料的微观结构演化密切相关。在1.0 wt.% Yb合金中，纳米级的析出物分布有助于提升材料的强度，同时由于基底织构的弱化和滑移系统的增强，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，粗大的析出物可能阻碍了滑移系统的有效激活，从而降低了材料的延展性。这种现象说明，钇含量的增加可能在一定程度上改变了材料的塑性变形机制，进而影响了其机械性能的表现。

在生物相容性方面，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的体外细胞相容性，对MC3T3-E1细胞无毒性。这与钇元素的生物相容性特性密切相关，其在生理环境中的稳定性和低毒性使其成为理想的生物材料成分。此外，研究还发现，钇元素在降解过程中形成的纳米级析出物有助于提高材料的抗腐蚀能力，同时促进了腐蚀产物膜的形成，从而为材料的生物降解提供了良好的保护机制。这种机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其纳米级析出物的均匀分布有助于形成致密且均匀的腐蚀产物膜，从而有效减缓了材料的降解速率。

另一方面，2.5 wt.% Yb合金由于粗大的钇颗粒的存在，导致了材料的降解行为更加不均匀。这种现象不仅影响了材料的降解速率，还可能对生物组织产生不利影响。在降解过程中，由于晶面的暴露程度较低，材料的抗腐蚀能力也随之下降，这使得局部腐蚀攻击更加频繁，从而加速了材料的降解过程。这种现象表明，虽然较高的钇含量可能在一定程度上提高了材料的强度，但其对材料的降解行为产生了显著的负面影响，这可能限制了其在生物降解材料中的应用。

综上所述，本研究通过系统分析不同钇含量的镁合金在热挤压过程中的微观结构演化、降解行为、体外生物相容性以及机械性能，揭示了钇元素在镁合金中的作用机制。研究发现，1.0 wt.% Yb合金在机械性能、降解抗性和生物相容性之间表现出良好的协同效应，这使其成为一种具有广泛应用前景的生物降解植入材料。而2.5 wt.% Yb合金虽然在强度上有所提升，但其对材料的降解行为产生了不利影响，这可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

此外，研究还发现，钇元素的加入对材料的晶界强化起到了关键作用。在热挤压过程中，钇原子倾向于聚集在晶界处，并形成钇含相，从而抑制了晶界处的位错迁移，显著减缓了动态再结晶（DRX）的速率。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其晶界强化作用显著提高了材料的机械性能，同时由于晶界处的位错迁移受到抑制，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，由于钇颗粒的粗大，导致了晶界处的位错迁移更加活跃，从而加速了材料的动态再结晶过程，使得材料的晶粒尺寸较大，这可能影响了其机械性能的表现。

从材料的降解行为来看，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的降解抗性，这与其在降解过程中形成的纳米级析出物和致密的腐蚀产物膜密切相关。这些析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。而2.5 wt.% Yb合金由于粗大的钇颗粒的存在，导致了材料的降解行为更加不均匀，这种不均匀的降解行为可能对生物组织产生不利影响，从而降低了材料的生物相容性。

从材料的生物相容性角度来看，钇元素的加入对材料的生物相容性表现产生了积极影响。研究表明，钇元素在生理环境中的稳定性使其成为理想的生物材料成分，其对细胞的无毒性特性使其在生物医学领域具有应用潜力。此外，钇元素在降解过程中形成的纳米级析出物有助于提高材料的抗腐蚀能力，同时促进了腐蚀产物膜的形成，从而为材料的生物降解提供了良好的保护机制。这种机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其纳米级析出物的均匀分布有助于形成致密且均匀的腐蚀产物膜，从而有效减缓了材料的降解速率。

在实际应用中，镁合金作为生物降解材料需要在机械性能和降解行为之间取得良好的平衡。1.0 wt.% Yb合金在这一方面表现出良好的协同效应，使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

此外，研究还发现，钇元素的加入对材料的晶界强化起到了关键作用。在热挤压过程中，钇原子倾向于聚集在晶界处，并形成钇含相，从而抑制了晶界处的位错迁移，显著减缓了动态再结晶（DRX）的速率。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其晶界强化作用显著提高了材料的机械性能，同时由于晶界处的位错迁移受到抑制，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，由于钇颗粒的粗大，导致了晶界处的位错迁移更加活跃，从而加速了材料的动态再结晶过程，使得材料的晶粒尺寸较大，这可能影响了其机械性能的表现。

从材料的降解行为来看，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的降解抗性，这与其在降解过程中形成的纳米级析出物和致密的腐蚀产物膜密切相关。这些析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

在实际应用中，镁合金作为生物降解材料需要在机械性能和降解行为之间取得良好的平衡。1.0 wt.% Yb合金在这一方面表现出良好的协同效应，使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

研究还发现，钇元素的加入对材料的晶界强化起到了关键作用。在热挤压过程中，钇原子倾向于聚集在晶界处，并形成钇含相，从而抑制了晶界处的位错迁移，显著减缓了动态再结晶（DRX）的速率。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其晶界强化作用显著提高了材料的机械性能，同时由于晶界处的位错迁移受到抑制，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，由于钇颗粒的粗大，导致了晶界处的位错迁移更加活跃，从而加速了材料的动态再结晶过程，使得材料的晶粒尺寸较大，这可能影响了其机械性能的表现。

从材料的降解行为来看，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的降解抗性，这与其在降解过程中形成的纳米级析出物和致密的腐蚀产物膜密切相关。这些析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

此外，研究还发现，钇元素的加入对材料的晶界强化起到了关键作用。在热挤压过程中，钇原子倾向于聚集在晶界处，并形成钇含相，从而抑制了晶界处的位错迁移，显著减缓了动态再结晶（DRX）的速率。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其晶界强化作用显著提高了材料的机械性能，同时由于晶界处的位错迁移受到抑制，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，由于钇颗粒的粗大，导致了晶界处的位错迁移更加活跃，从而加速了材料的动态再结晶过程，使得材料的晶粒尺寸较大，这可能影响了其机械性能的表现。

从材料的降解行为来看，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的降解抗性，这与其在降解过程中形成的纳米级析出物和致密的腐蚀产物膜密切相关。这些析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

在实际应用中，镁合金作为生物降解材料需要在机械性能和降解行为之间取得良好的平衡。1.0 wt.% Yb合金在这一方面表现出良好的协同效应，使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

研究还发现，钇元素的加入对材料的晶界强化起到了关键作用。在热挤压过程中，钇原子倾向于聚集在晶界处，并形成钇含相，从而抑制了晶界处的位错迁移，显著减缓了动态再结晶（DRX）的速率。这种作用机制在1.0 wt.% Yb合金中尤为明显，其晶界强化作用显著提高了材料的机械性能，同时由于晶界处的位错迁移受到抑制，材料的延展性也得到了改善。而在2.5 wt.% Yb合金中，由于钇颗粒的粗大，导致了晶界处的位错迁移更加活跃，从而加速了材料的动态再结晶过程，使得材料的晶粒尺寸较大，这可能影响了其机械性能的表现。

从材料的降解行为来看，1.0 wt.% Yb合金表现出良好的降解抗性，这与其在降解过程中形成的纳米级析出物和致密的腐蚀产物膜密切相关。这些析出物在降解过程中起到了弱阴极的作用，有助于形成均匀的腐蚀产物膜，从而有效保护了基底材料。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。

在实际应用中，镁合金作为生物降解材料需要在机械性能和降解行为之间取得良好的平衡。1.0 wt.% Yb合金在这一方面表现出良好的协同效应，使其在生物医学领域具有广阔的应用前景。而2.5 wt.% Yb合金由于其对降解行为的负面影响，可能限制了其在生物医学领域的应用。因此，进一步研究钇元素在镁合金中的作用机制，特别是在不同含量下的强化效应和生物相容性表现，对于优化镁合金的性能、提高其在生物医学领域的应用价值具有重要意义。