腐蚀性生物介质中的316L不锈钢与钛合金的比较外文翻译资料

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腐蚀性生物介质中的316L不锈钢与钛合金的比较

Djelloul Aroussi¹ , Benaoumeur Aour² , Abdelhadi Sabik Bouaziz³

（1.应用生物力学与化学实验室,生物材料（LABAB）,ENPO-MA，Oran, Algeria, djelloul_aroussi@hotmail.com; 2.应用生物力学与化学实验室,生物材料（LABAB）,ENPO-MA, Oran, Algeria, benaoumeur.aour@enp-oran.dz；3.机械实验室,制造与技术,ENPO-MA, Oran, Algeria, bouaziz_sabik@hotmail.com）

摘要：长时间接触碱性或酸性溶液后，不锈钢和钛合金的电化学行为会受到影响，这表明它们的表面性能发生了变化。人体排斥会改变血液或其他体液的生物学或化学组成的植入物。几年来，支架、固定板、螺钉、脊柱植入装置、动脉瘤夹、髓内钉、茎、临时固定装置和外科手术器械等都是用AISI 316L不锈钢制成的。尽管植入物和设备的机械性能可能由其整体性质决定，但它们与环境的相互作用仍由其表层的特性决定。对于生物医学设备，抗腐蚀和生物相容性至关重要。这项研究比较了在Hank溶液中316L不锈钢和钛合金的腐蚀行为。所得结果表明，钛合金具有比316L不锈钢更高的电势和更低的腐蚀电流。

关键词：316L不锈钢；钛；钝化；生物相容性

1．引言

植入物是用于替代人体缺失或受损的器官，从而确保其最佳功能的设备。生物材料是植入治疗的重大进步之一，它在生物压力下工作，并且在我们的健康和生活质量中发挥着越来越重要的作用^[1]。为了保护人们免受植入物和设备的潜在危险和不便，充分测试它们的元件，使它们不会危及患者的生命是很有必要的。这就是为什么需要大规模研究和临床试验的原因^[2]。多年来进行的实验表明，细胞对生物材料表面的反应根据其类型和状态而变化。多位学者在体外和体内试验中得出结论，成骨细胞的附着因表面粗糙度而增强^[3,4]。关于体外和体内在生理环境中的耐腐蚀性的第一个测试具有决定性的作用，并且将在未来几年继续进行^[5]。学者们针对骨科应用进行了研究，例如膝盖和髋关节假体^[6,7]。这种类型的假体承受很大的机械摩擦应力，会释放大量金属颗粒。

金属生物材料因其低成本，优异的机械性能和惰性而在多种生物医学应用中使用了一个世纪^[8,9]。不锈钢和钛合金由于其生物相容性和机械特性（例如高强度和韧性）而广泛用于许多生物医学应用中，包括心血管支架、瓣膜、整形外科假体以及其他用于生物医学的装置和植入物^[10,11]。钛合金具有高强度，低密度和良好的耐腐蚀性^[12,13]。此外，316L不锈钢以其良好的延展性，抗疲劳性和高强度韧性而闻名^[14,15]。然而，人们始终担心它们在生理介质中的耐腐蚀性及其生物相容性^[16,17]。在^[18]中评估了表面处理和金属涂层对外科手术316L不锈钢植入物的腐蚀行为和生物相容性的影响。实验结果表明，Nb涂层和不锈钢表面处理可改善其腐蚀行为。在^[19]中研究了Mg取代的氟磷灰石涂层在316L不锈钢人体植入物上的结构和生物腐蚀阻隔性能，从而提高了耐腐蚀性和生物相容性。在^[20]中，研究了在600°C时多轴锻造的316L不锈钢的显微组织演变、机械、滑动磨损和腐蚀行为，表明严重变形的超细晶粒金属具有改善植入物性能的潜力。在^[21]中进行的电化学测试表明，富集钼的表面改善了316L不锈钢的耐腐蚀性。

最近，在实验室条件下，对由合金钢，镍钛合金和钛钼合金制成的正畸弓丝的腐蚀强度进行了比较^[22]。在镍钛合金弓形钢丝中的耐腐蚀性最高，而钢丝则最低。表面改性可以改善材料的特性，而不会损害其重要的整体性能。不锈钢表面改性方法的综述为选择适合特定生物医学应用的适当改性途径提供了指导^[23]。

这项研究的目的是利用电化学测量方法，如电位动力学和循环极化，比较Hank溶液中316L不锈钢和钛合金的腐蚀行为。

2、研究材料

AISI 316L不锈钢和钛合金通常用于制造假体。这些材料的化学组成通过光谱分析确定（表2.1和2.2）。从以原始状态交付的圆柱棒上以直径为14mm的圆盘形式切割样品。

表2.1 316L不锈钢的成分（质量％）

表2.2 钛合金的组成（质量％）

3、表面特性和抛光技术

鉴于其在不同生物医学领域中的潜在应用，优化表面抗腐蚀性能是一个广泛而重要的研究课题。耐腐蚀性是表面的主要特征之一，必须对其进行优化以改善植入物的集成度。在本节中，重点放在粗糙度和电化学性能上。样品的阳极溶解可以产生出色的抛光效果，而不会使其表面变形。样品在阳极极化，并通过浓缩在酸中的电解液与阴极连接。施加电压会产生一个流过熔池的电流，从而优先改变要抛光的表面。以前，样品表面是在减小粒度（最大1500粒/cm²）的砂纸上进行机械预抛光的。应该注意的是，对于每次电抛光处理，都使用了新的新鲜电解质，因为离子金属浓度的变化可能会影响电抛光状态^[24]。因此，将样品浸入氢氟酸（2％v/v），硝酸（10％v/v）和去离子水（88％v/v）的混合物中，在50℃下清洗30s，以清洁样品。为了溶解盐而不腐蚀金属^[25]。每次操作后，将样品在水和丙酮溶液中超声清洗10分钟，然后用压缩空气干燥。使用“Surftest 201”便携式比色计测量粗糙度。每次测量在不同的位置重复五次，样品的粗糙度值记录在表3.1中。

表3.1 研究材料的表面粗糙度

4、结果与讨论

4.1 显微硬度

使用装备有显微镜的维氏显微硬度计，在20g的负荷下进行显微硬度测试，在显微镜下可见的负荷下进行该负荷。维氏HV硬度与压痕的对角线长度（d）和所施加的载荷（m）的关系为：

(1)

m为[kgf]，d为[mm]。两种材料的显微硬度结果列于表IV，代表10次测量的平均值。可以注意到，钛合金的机械强度比316L不锈钢强。

表4.1.1 研究材料测试表面的微硬度

4.2 电化学分析

（1）解决方案

将Hank溶液用作侵蚀性环境，与由表4.2.1中给出的化合物制备的生理介质同化。

表4.2.1 Hank溶液的化学组成

（2）实验条件

实验条件在以下条件下对样品进行电化学表征：

·模拟的生理环境（汉克溶液的PH=7.1）；

·环境温度：37℃（人体温度）；

·电位扫描速率：0.5 mV/s；

（3）自由势的演变

该技术使得可以跟踪开路（OCP）中相对于参考电极的样品电势（工作电极）随时间的变化。将样品保持浸没在电解质中，并测量自由电极电位随时间的变化。根据电位随时间变化曲线确定放弃电位（Ea）。该电位是金属与其环境之间的界面改性的特征。这种简单的技术提供了有关在金属/电解质界面上形成的过程的性质的初步信息：腐蚀和钝化。曲线的总体形状表明，如果电位随时间增加，则材料是否变为被动。因此，在所有处理条件下都进行了自由腐蚀测试^[28]。图4.2.1所示的结果表明，在Hank溶液中，电解抛光316L钢的天然钝化膜具有更高的稳定性。在浸泡的1小时内，经电解抛光的316L的电势保持稳定在-63mV/ECS，与^[26]一致。

图4.2.1 Hank溶液中自由电势随时间变化的316L钢

图4.2.2中所示的曲线显示了电势随时间的增加。在这种情况下，电势值在不到30分钟的时间内迅速稳定在-10 mV / ECS左右。另外，阳极和阴极反应迅速平衡。

图4.2.2 Hank溶液中自由电位随时间的变化关系

电势值随浸入时间的变化可以用电化学反应来解释，该电化学反应开始发生在介质（Hank溶液）和金属基材暴露的表面（或多或少粘附）之间，从而导致腐蚀结束，电势相对稳定。

表4.2.2 研究材料的免费潜在结果

（4）电位动力学曲线log(I)=f(E)

与电池相比，浸入任何电解质介质中的金属往往会溶解并带电，从而形成双电化学层。在足够长的时间后，将建立稳定状态，并且金属电极相对于溶液具有称为电位腐蚀（E_cor）的电位。后者不能确定，它是相对于参比电极标记的。

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