生物可降解Zn-Nb復(fù)合材料的制備及性能研究

韓書揚，姚潤華，杭瑞強(qiáng)，姚曉紅

(太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 醫(yī)用金屬材料山西省重點實驗室，太原 030024)

不可降解金屬材料由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、加工性能及耐腐蝕性[1]，作為骨科臨時性植入物，如骨板和骨釘?shù)龋玫綇V泛應(yīng)用[2]，其材質(zhì)主要為不銹鋼、鈦及鈦基合金和鈷基合金等[3]。但這些不可降解金屬植入物的彈性模量遠(yuǎn)高于自然骨，在體內(nèi)長期使用會產(chǎn)生因應(yīng)力屏蔽導(dǎo)致的骨溶解和吸收。此外，將這些植入物取出需要二次手術(shù)，加大患者的痛苦與負(fù)擔(dān)[4-5]。而生物可降解金屬(biodegradable metals，BMs)在生理環(huán)境中能夠逐漸腐蝕降解，并在達(dá)到治療和修復(fù)組織與器官等效果之后完全降解，不需要二次手術(shù)取出，而且材料自身及其降解產(chǎn)物能夠被人體吸收或排出體外，不會給人體帶來其他損害[6]。因此BMs有巨大的研究潛力與應(yīng)用前景，受到研究人員的廣泛青睞[7]。目前，基于生物降解性和生物相容性雙重標(biāo)準(zhǔn)，適合作為BMs的基體金屬元素有鎂(Mg)、鐵(Fe)和鋅(Zn)三種[8]。

Mg基材料通過合金化、表面改性和熱加工等技術(shù)，可使其力學(xué)性能逐步改善[9-10]，并具有良好的生物相容性，可在人體內(nèi)完全降解，并具有一定促成骨能力[11-13]。但Mg基材料的降解速率遠(yuǎn)高于臨床需求，過早失去力學(xué)支撐以及快速降解產(chǎn)生的析氫現(xiàn)象可導(dǎo)致植入失敗[12-13]。與Mg基材料相比，F(xiàn)e基材料具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，但是其降解速率十分緩慢且降解產(chǎn)物難以被人體代謝排出[14-15]。此外，F(xiàn)e基材料的鐵磁性也會影響核磁共振等醫(yī)療設(shè)備的成像[16]。

Zn/Zn2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.762 V/SHE，介于Mg/Mg2+(-2.372 V/SHE)和Fe/Fe2+(-0.447 V/SHE)之間，理論上具有比Mg和Fe更適宜的降解速率，且降解過程中不產(chǎn)生氫氣[17]。Zn2+離子在刺激新骨形成、礦物質(zhì)沉積和保持骨量等方面也發(fā)揮著重要作用[18-20]。因此，Zn基材料是一種具有很大研究潛力的可降解骨植入物材料。DRELICH et al[21]將純Zn絲植入大鼠腹主動脈壁內(nèi)，發(fā)現(xiàn)Zn絲的長期降解速度約為0.02 mm/y，表明純Zn的降解速率處于較低水平，其完全降解需要很長時間。大量研究表明[19，22-24]，通過添加合金元素可以有效提高Zn合金的降解速率，根據(jù)添加的合金元素種類與含量的不同，Zn合金的體外降解速率可以達(dá)到0.11 mm/y。然而YANG et al[25]的實驗結(jié)果表明，純Zn及其合金浸提液對成骨細(xì)胞具有輕微毒性，表明Zn及其合金降解過程中釋放的Zn2+離子或降解產(chǎn)物對細(xì)胞存在一定的毒性。合金化使得Zn合金相比于純Zn在降解過程中釋放的Zn2+離子濃度增加，細(xì)胞的活性有不同程度降低[26-30]，表明Zn合金降解速率的加快對其生物相容性有不利影響。因此，Zn及其合金作為可降解材料需要綜合考慮降解性能與生物相容性的平衡，在保證較低細(xì)胞毒性的同時能提高降解速率。此外，純Zn的機(jī)械性能較差、強(qiáng)度低(UTS<50 MPa)、塑性差(Elongation<1%)[19]，遠(yuǎn)低于臨床使用要求。因此，Zn基材料作為可生物降解材料需要解決的主要問題為在保持適宜降解速率的同時提高其細(xì)胞相容性，并獲得較好的力學(xué)性能。

四氫呋喃用量和KOH甲醇溶液質(zhì)量濃度對稻谷中葉黃素提取量影響的響應(yīng)面（a）和等高線（b）見圖4。如圖4所示，固定提取溫度為50℃，四氫呋喃用量不變，當(dāng)KOH甲醇溶液質(zhì)量濃度在0.05～0.1g/mL時，稻谷中葉黃素的提取量隨質(zhì)量濃度的增加而增加；KOH甲醇溶液質(zhì)量濃度大于0.1g/mL后，葉黃素的提取量逐漸下降；KOH甲醇溶液質(zhì)量濃度一定時，隨著四氫呋喃用量的增加，葉黃素提取量先增加后減少。

鈮(Nb)同鈦(Ti)被認(rèn)為是無毒金屬，具有良好的生物相容性，在骨科和牙科有廣泛的應(yīng)用[31-32]。OSATHANON et al[33]的研究表明，使用Nb作為合金化元素替代Ti-6Al-4V中的V，成骨細(xì)胞在Ti-6Al-7Nb合金表面表現(xiàn)出更好的黏附、增殖和活力。上述研究結(jié)果提示，在Zn基材料中添加Nb可能也有利于提高其細(xì)胞相容性。

2、突發(fā)性供油不足。拖拉機(jī)運行中出現(xiàn)供油不足，如果排出空氣更換柱塞、噴油嘴后仍不見效，那就是噴油器的噴油針頂桿內(nèi)小鋼球偏磨使噴油不能霧化所致。此時應(yīng)換一粒小鋼球，如沒有也可用自行車飛輪鋼球代替。

ZHENG et al[6]解釋了BMs在生理環(huán)境中的降解機(jī)制。電化學(xué)腐蝕發(fā)生在直接接觸液體的金屬表面，而金屬基體與第二相或晶界存在電位差時也會發(fā)生電偶腐蝕。此外，已經(jīng)被腐蝕的BMs可能從原來完整的形態(tài)分解成不規(guī)則的細(xì)小顆粒進(jìn)入周圍介質(zhì)中。根據(jù)顆粒尺寸的不同，纖維組織或巨噬細(xì)胞可能會包裹住這些顆粒，使其進(jìn)一步降解。本文基于上述BMs溶解過程，在設(shè)計Zn基可降解材料時，考慮到提高純Zn的降解速率并降低其細(xì)胞毒性的目的，采用熱壓燒結(jié)工藝，以Zn粉為原料制備材料，使材料更易發(fā)生細(xì)小顆粒的物理脫落以提升降解速率；同時在Zn基體中加入標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于Zn的Nb顆粒以增強(qiáng)電偶腐蝕現(xiàn)象，減少Zn2+釋放以達(dá)到降低細(xì)胞毒性的目的，研究添加不同含量的Nb對復(fù)合材料降解行為與生物相容性的影響，評估Nb顆粒對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗儀器與試劑

采用高速振動球磨機(jī)(QM-3B，南大儀器)與真空熱壓燒結(jié)爐(OTF-1200X-VHP4，合肥科晶)制備材料坯料，使用電火花數(shù)控線切割機(jī)床(DK7721，山西雙日星機(jī)電)對其進(jìn)行切割加工制備表征與測試的試樣。試樣使用自動磨拋機(jī)(MoPao2，蔚儀)進(jìn)行打磨拋光并使用超聲波清洗機(jī)(KQ3200DE，昆山超聲儀器)進(jìn)行清洗。材料的壓縮力學(xué)性能測試使用電子萬能材料試驗機(jī)(Instron5969，INSTRON)，材料的物相表征使用激光粒度分析儀(BT-9300HT，百特儀器)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，GeminiSEM 300，ZEISS)及其附帶能譜儀(EDS，Xplore30，OXFORD)，以及X射線衍射儀(Empyrean，PANALYTICAL).體外浸泡降解實驗于生化培養(yǎng)箱(SPX-80，上海躍進(jìn))中進(jìn)行，電化學(xué)性能測試使用電化學(xué)工作站(CHI660E，上海辰華)進(jìn)行。細(xì)胞培養(yǎng)及細(xì)胞相容性實驗使用的設(shè)備有：超凈工作臺(BJ-2CD，上海博訊)，細(xì)胞培養(yǎng)箱(Forma 371，THERMO FISHER)，酶標(biāo)儀(Infinite F50，TECAN)，激光共聚焦顯微鏡(C2 Plus，NIKON).

1) 球磨混粉。按設(shè)計的復(fù)合材料成分稱取上述金屬粉末，與瑪瑙質(zhì)地的研磨球一同加入球磨罐中，球料比為8∶1，使用高速振動球磨機(jī)進(jìn)行球磨混粉。球磨機(jī)參數(shù)設(shè)置如下：轉(zhuǎn)速1 600 r/min，球磨時間共4 h，期間每運行15 min暫停15 min以冷卻罐體。

1.2 Zn-xNb復(fù)合材料的制備

對于中小零售企業(yè)電子商務(wù)商業(yè)運營模式而言，合理性的資源配置結(jié)構(gòu)也非常關(guān)鍵，相應(yīng)的價值活動必然會對企業(yè)資源產(chǎn)生消耗，而資源本身就是企業(yè)從市場獲得的多樣化因素，企業(yè)要將不同資源要素和生產(chǎn)體系、管理機(jī)制以及獎懲結(jié)構(gòu)等進(jìn)行融合，確保能將資源轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯拥漠a(chǎn)品或者是服務(wù)形式，從而維護(hù)企業(yè)在電子商務(wù)體系中的經(jīng)濟(jì)運行效率。值得一提的是，為了順應(yīng)市場發(fā)展動態(tài)，要在資源配置結(jié)構(gòu)中對人力資源、核心資源以及財務(wù)資源進(jìn)行統(tǒng)籌判定和科學(xué)化分配，保證資源配置結(jié)構(gòu)能滿足企業(yè)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)。

使用試劑：三氧化鉻(TITAN)，N-(2-羥乙基)哌嗪-N′-2-乙烷磺酸(HEPES，源葉生物)，無水乙醇(天津博華通)，磷酸鹽緩沖液(SOLARBIO)，最低限度基礎(chǔ)培養(yǎng)基ALPHA(α-MEM，GIBCO)，青霉素(SOLARBIO)，鏈霉素(SOLARBIO)，胎牛血清(杭州四季青)，胰蛋白酶(生工)，細(xì)胞活死熒光染色劑(INVITRIGEN)，3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴鹽(MTT，生工)，二甲基亞砜(生工)；其余所用試劑均為分析純，購買于國藥集團(tuán)山西有限公司。

式中:k是von Krmn常數(shù);Pr是湍流Prandtl數(shù);z0m(z0H)是空氣動力學(xué)(熱力)粗糙度;ΨM(ΨH)穩(wěn)定度修正方程;ζM(ζ0M)無量綱穩(wěn)定度參數(shù)。

2) 混合粉末預(yù)壓成型。球磨完畢后分離出粉體中的研磨球，將混合粉末裝填入石墨模具(模具內(nèi)部為內(nèi)徑10 mm的圓柱形型腔)并使用液壓機(jī)對型腔中的坯體預(yù)壓，加載壓力為100 MPa，保壓時間為1 h.

3) 真空熱壓燒結(jié)。預(yù)壓完成后將石墨模具放入熱壓燒結(jié)爐，加載壓力80 MPa，加熱至380 ℃(加熱速率10 ℃/min)，保溫保壓90 min后完成燒結(jié)，待其自然冷卻后脫模得到坯料。

1.3 材料表征與測試

圖6(a-c)為Zn-10Nb試樣浸泡30天后表面的SEM圖像。觀察前試樣在80 ℃水浴鍋中使用200 g/L三氧化鉻溶液浸泡1 min以去除腐蝕產(chǎn)物。由圖6(a)的低倍SEM圖可以觀察到試樣表面有明顯物理脫落現(xiàn)象，出現(xiàn)大尺寸的腐蝕坑。圖6(b)和(c)可觀察到Zn基體上存在大量點蝕坑，層片狀顆粒的邊界處腐蝕情況較為嚴(yán)重。根據(jù)腐蝕程度差異推測，圖6(c)所示區(qū)域可能是顆粒剝離后新暴露出的Zn基體表面。圖6(d)所示為試樣表面Nb顆粒附近腐蝕情況，圖6(e)和(f)為EDS面掃描圖像，可以看出Nb顆粒與Zn基體連接界面處腐蝕尤為嚴(yán)重，有較明顯的脫落趨勢。圖6(g)為EDS元素總數(shù)圖譜定量結(jié)果，Zn-10Nb試樣表面的Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至7.45%，證明浸泡過程中Nb顆粒存在一定程度的脫落。以上結(jié)果表明，Zn-xNb復(fù)合材料在浸泡過程中，固態(tài)Zn基體發(fā)生電化學(xué)腐蝕并釋放Zn2+，實現(xiàn)電化學(xué)降解，并結(jié)合顆粒的物理脫落，共同實現(xiàn)了復(fù)合材料的降解。

然后，KF利用對當(dāng)前時刻系統(tǒng)狀態(tài)的觀測值來更新在上一階段的預(yù)測值，從而獲得一個平均誤差更小的估計值，測量更新過程如下：

對燒結(jié)成型的Zn-xNb復(fù)合材料坯料初步打磨，使用線切割機(jī)床將燒結(jié)制備的坯料加工成尺寸為Φ10 mm×1.5 mm的圓片狀試樣。將上述試樣進(jìn)行打磨拋光后，使用SEM觀察試樣的表面形貌，并使用SEM附帶的能譜儀檢測試樣表面的元素組成與分布，使用X射線衍射儀檢測試樣物相組成。

1.3.6細(xì)胞相容性實驗

1.3.7統(tǒng)計學(xué)分析

使用線切割機(jī)床將復(fù)合材料坯料加工成尺寸Φ2 mm×5 mm的圓柱試樣。使用萬能材料試驗機(jī)在室溫條件下測試材料的壓縮力學(xué)性能。通過壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析Zn-xNb復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能。

1.3.3致密度測試

通過阿基米德排水法對材料的致密度進(jìn)行測試。稱量試樣塊體得到質(zhì)量M1，將試樣浸沒于無水乙醇(ρ乙醇=0.789 g/cm3)中稱量出試樣塊體質(zhì)量M2，通過式(1)計算出試樣塊體的實際密度ρ′，根據(jù)式(2)計算出混合粉末的理論密度ρ，通過式(3)得到材料的致密度θ：

(1)

(2)

(3)

其中，ρZn為純Zn的理論密度(7.14 g/cm3)，ρNb為純Nb的理論密度(8.57 g/cm3)，w為復(fù)合材料中Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.3.4浸泡降解實驗

品種在獼猴桃生產(chǎn)種植中也是具有戰(zhàn)略地位的生產(chǎn)力要素，成功的種植莫不是得益于優(yōu)良品種的助力。相反的，國內(nèi)在獼猴桃種植選種中，慘痛教訓(xùn)數(shù)不勝數(shù)，究其原因，就是過于相信炒種者忽悠，缺少對品種在種植過程重要意義的評估。創(chuàng)新要提倡，謹(jǐn)慎更重要。選擇品種，除了關(guān)注其出身來源（培育者及種質(zhì)源），實地了解該品種全面的性狀或少量試種親自觀察品種特性都是必不可少的環(huán)節(jié)。

使用Φ10 mm×1.5 mm的圓片狀試樣進(jìn)行浸泡實驗，設(shè)置純Zn及不同Nb含量的試樣共6組，浸泡前對試樣進(jìn)行打磨拋光，測量并記錄各個試樣的表面積及初始質(zhì)量。根據(jù)GB 10124-88金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法，使用改良模擬體液(r-SBF)作為浸泡溶液，溶液量為20 mL/cm2，實驗全程在恒溫37 ℃生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行。每48 h取出浸泡試樣，超聲清洗并烘干后稱量試樣重量，并測量浸泡溶液pH值。最后更換1/3的浸泡溶液，放回生化培養(yǎng)箱繼續(xù)實驗，浸泡實驗持續(xù)30天。浸泡實驗結(jié)束后，收集降解產(chǎn)物并將試樣洗凈烘干，使用SEM分析試樣腐蝕后的表面形貌，使用X射線衍射儀對降解產(chǎn)物成分進(jìn)行表征。

1.3.5電化學(xué)測試

通過電化學(xué)測試對試樣的腐蝕行為進(jìn)行分析評估，采用三電極體系進(jìn)行實驗，工作電極為待測試樣(除工作面外，試樣其余面均使用704硅膠密封處理)，參比電極為飽和甘汞電極SCE，輔助電極為鉑電極，r-SBF作為電解液，測試過程中電解液容器置于37 ℃水浴鍋內(nèi)進(jìn)行實驗并收集數(shù)據(jù)。使用電化學(xué)工作站自帶分析軟件及Zview2軟件分別對極化曲線和交流阻抗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算，得出腐蝕電位(Ecorr)、腐蝕電流密度(Icorr)、極化電阻(Rp)與電化學(xué)腐蝕速率(RC,ele)等電化學(xué)參數(shù)。

1.3.2壓縮力學(xué)性能測試

根據(jù)GB-T 16886.5-2017醫(yī)療器械生物學(xué)評價方法進(jìn)行體外細(xì)胞毒性實驗，分別進(jìn)行試樣表面細(xì)胞毒性實驗、試樣表面細(xì)胞增殖實驗以及試樣100%和50%濃度浸提液細(xì)胞增殖實驗。選取MC3T3-E1成骨細(xì)胞進(jìn)行實驗，細(xì)胞接種密度為1.5×104cells/cm2，使用Φ10 mm×1.5 mm的圓片狀試樣，其浸提液按照ISO 10993-5:2009標(biāo)準(zhǔn)提取，浸提液為α-MEM配制的成骨細(xì)胞培養(yǎng)基，試樣表面積與浸提液體積之比為3 cm2/mL，浸提環(huán)境與細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境一致，每24 h提取一次。

利用數(shù)字媒體技術(shù)通過提出問題的方式將學(xué)生需要學(xué)習(xí)到的知識點灌溉給學(xué)生能夠有效的促進(jìn)學(xué)生更好的學(xué)習(xí)。但是需要注意的是，教師在設(shè)置問題時需要精心設(shè)計，因為，問題的主要作用就是為了能夠更好地激發(fā)學(xué)生的注意力和學(xué)習(xí)興趣，為之后的課堂學(xué)習(xí)進(jìn)行前期鋪墊，通過分析研究可以發(fā)現(xiàn)，靈活運用問題導(dǎo)入的方式能夠有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的情感。

細(xì)胞毒性實驗中，將細(xì)胞接種到試樣表面，分別在細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、3和5天后使用細(xì)胞活死熒光染色劑進(jìn)行染色，使用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣表面細(xì)胞并采集圖像。細(xì)胞增殖實驗中，每組設(shè)置3個平行樣，在接種細(xì)胞后第1、3和5天使用MTT染色劑染色，通過酶標(biāo)儀定量分析細(xì)胞增殖情況。觀察成骨細(xì)胞黏附形貌時，設(shè)置兩組Zn-xNb試樣，一組直接接種成骨細(xì)胞；另一組在培養(yǎng)基中浸泡5天后再接種成骨細(xì)胞。兩組試樣分別接種成骨細(xì)胞并培養(yǎng)24 h后，經(jīng)過戊二醛固定、乙醇梯度脫水及噴金處理后，使用SEM觀察試樣表面細(xì)胞黏附形貌。

“人力資源是第一資源”，近年來人力資源開發(fā)已經(jīng)得到了世界各國的廣泛重視，成為各個政府、企業(yè)以及組織的發(fā)展新戰(zhàn)略，在提高競爭力方面發(fā)揮著巨大的作用。根據(jù)人力資源開發(fā)實踐來看，其在提高員工素質(zhì)、增加員工對組織的貢獻(xiàn)度方面表現(xiàn)良好，企業(yè)最先重視人力資源的開發(fā)問題，基于相關(guān)管理效果的凸顯公共部門逐漸開始意識到其重要作用，本文從事業(yè)單位入手對我國人力資源開發(fā)問題展開具體分析。

細(xì)胞增殖定量數(shù)據(jù)均取自3個獨立平行的試樣，采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表達(dá)。利用IBM SPSS 14.0軟件中的單因素方差分析(ANOVA)計算均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，并利用Stent-Newman-Keuls(S-N-K)來分析比較組間差異性。P<0.01表示有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。

3.4.3 均勻度指數(shù)。各土地利用方式大型土壤動物群落均勻度指數(shù)（J）濕地＞森林＞農(nóng)田＞退耕林地＞退耕濕地。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn-xNb復(fù)合材料成分表征與性能測試

2.1.1金屬粉末

圖3所示是本文提出的時頻域結(jié)合抗干擾原理框圖。前端的信號、干擾和噪聲先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，分別進(jìn)行時域和頻域的抗干擾抑制。其中，時域模塊由IIR陷波器構(gòu)成，頻域模塊由加窗、FFT、干擾抑制、IFFT和1/2數(shù)據(jù)塊延遲組成。上支路加窗后進(jìn)行干擾抑制，然后進(jìn)行1/2數(shù)據(jù)塊的延遲；下支路先進(jìn)行1/2數(shù)據(jù)塊的延遲，然后再加窗，最后進(jìn)行干擾抑制。上支路和下支路都進(jìn)行了1/2數(shù)據(jù)塊的延遲保證了上下支路相加時在時間上時對應(yīng)的。

圖1(a，b)分別為Zn粉和Nb粉的SEM圖像。Zn金屬粉末呈均勻的球形，直徑在5～20 μm之間；Nb金屬粉末呈不規(guī)則塊體，體平均直徑約為20 μm.圖1(c)為經(jīng)過球磨后混合粉末的SEM圖像，圖1(d，e)為混合粉末的EDS面掃描圖像。觀察其形貌可知，球磨后混合粉末無明顯團(tuán)聚，由于Zn與Nb均具有較好的延展性，兩者的顆粒均發(fā)生了較大的塑性形變，部分顆粒之間發(fā)生冷焊相互連接呈層片狀結(jié)構(gòu)[34]。在球磨過程中，金屬顆粒與金屬顆粒、金屬顆粒與研磨球相互碰撞，在持續(xù)的沖擊擠壓過程中，顆粒發(fā)生較大塑性形變，粘連形成層片狀結(jié)構(gòu)，避免燒結(jié)過程中顆粒相互搭架而產(chǎn)生的“拱橋效應(yīng)”，有利于減少粉體坯料內(nèi)部的孔隙率，提高其致密度。

(a) Zn粉，(b) Nb粉，(c) 球磨后的混合粉末，(d) Zn元素的EDS面掃描圖像；(e) Nb元素EDS面掃描圖像圖1 金屬粉末SEM及EDS面掃描圖像Fig.1 SEM and EDS mapping images of metal powders

2.1.2Zn-xNb復(fù)合材料

表1為Zn-xNb復(fù)合材料的理論密度、實際密度與致密度。由于粉末燒結(jié)過程中粉體坯料內(nèi)部存在微觀孔隙，造成燒結(jié)成型塊體的實際密度小于理論密度。通過對比表中數(shù)據(jù)可知，各組分復(fù)合材料的致密度均能達(dá)到98%以上，表明混合粉末經(jīng)過球磨后顆粒發(fā)生較大的塑性形變，有效增加顆粒間接觸面積；經(jīng)過冷壓成型與熱壓燒結(jié)流程，坯料內(nèi)部粉體顆?；樘畛?，使得燒結(jié)成型的塊體具有很高的致密度。

表1 Zn-xNb復(fù)合材料的密度與致密度Table 1 Density and densification of Zn-xNb composites

表2為由EDS面掃描圖像計算出Zn-xNb復(fù)合材料中Nb的實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)。各組分復(fù)合材料中Nb的實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)均略高于設(shè)計質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這是由于Zn金屬顆粒質(zhì)地偏軟，在球磨過程中有一部分Zn粉粘連在球磨罐體內(nèi)壁與研磨球上，即Zn粉有一定程度的損耗，導(dǎo)致復(fù)合材料中Nb實際質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高。

表2 Zn-xNb復(fù)合材料的成分Table 2 Composition of Zn-xNb composites

圖2為Zn-xNb復(fù)合材料的SEM與EDS面掃描圖像。由圖可知，除純Zn外，各組分Zn-xNb復(fù)合材料中，呈層片狀的Nb顆粒較為均勻地分布于Zn基體中。此外，材料表面中觀察到存在極少量孔隙。這是由于燒結(jié)過程中顆粒在壓力作用下可相互填充，但施加的壓力有限，無法完全充滿全部孔隙，因此仍能觀察到極少量的孔隙缺陷。

圖2 Zn-xNb復(fù)合材料的(a-f)SEM及(g-h)EDS圖像Fig.2 SEM(a-f) and EDS(g-h) mapping images of of Zn-xNb composites

圖3為Zn-xNb復(fù)合材料的XRD圖譜。36.3°、39.0°、43.2°和54.3°附近的特征峰對應(yīng)Zn；38.5°和55.0°附近的特征峰對應(yīng)Nb；35.5°、37.2°、38.9°、42.8°和43.6°附近的特征峰對應(yīng)Zn2Nb。由于Zn和Nb的特征峰比較接近，從純Zn到Zn-10Nb無法以特征峰強(qiáng)度的差異來區(qū)分Nb元素的含量。Zn2Nb的特征峰大部分與其它相重合，但值得注意的是，Nb含量較高的試樣在38.9°附近出現(xiàn)對應(yīng)Zn2Nb的特征峰，而Nb含量較低的試樣則未觀察到。在熱壓燒結(jié)過程中，固態(tài)燒結(jié)溫度需要按照低熔點金屬設(shè)定，通常認(rèn)為粉體固態(tài)燒結(jié)致密化溫度約為金屬熔點的70%.本文中設(shè)定燒結(jié)溫度為380 ℃，燒結(jié)過程中Zn基體與Nb顆粒通過熱擴(kuò)散形成連接，但兩者熔點差異較大(Zn熔點為419 ℃，遠(yuǎn)低于Nb熔點2 468 ℃)使得熱擴(kuò)散效果十分有限，因此在連接界面處未能直觀表征出Zn2Nb相，僅在Nb含量較高試樣的XRD圖譜中觀察到微弱的Zn2Nb特征峰。由此推測，Zn2Nb相的出現(xiàn)可能是由于Zn基體與Nb顆粒連接界面處發(fā)生擴(kuò)散[35]，而試樣中Nb含量的增加使得Zn基體與Nb顆粒的接觸面積增加，因而試樣中才觀察到Zn2Nb相的特征峰。

圖3 Nb粉、Zn粉及Zn-xNb復(fù)合材料的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of Nb powder, Zn power, and Zn-xNb composites

2.1.3Zn-xNb復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能

圖4所示為Zn-xNb復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，圖右上角為壓縮后試樣的宏觀形貌，從左至右依次為純Zn、Zn-0.5Nb、Zn-1Nb、Zn-3Nb、Zn-5Nb和Zn-10Nb試樣，相應(yīng)的壓縮力學(xué)性能參數(shù)見表3.由于壓縮力學(xué)測試中其力學(xué)試樣被壓縮至圓餅狀未完全斷裂，壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中應(yīng)變量取0～20%作圖。純Zn試樣的壓縮屈服強(qiáng)度(σCYS)為145.7 MPa，加入0.5%的Nb后提高到162.4 MPa.隨著試樣中Nb含量的進(jìn)一步增加，其σCYS逐步下降，Zn-10Nb降低至22.8 MPa.純Zn試樣的壓縮彈性模量(EC)為7.26 GPa，隨著Nb含量增加至5%，材料的EC逐漸增加，Zn-5Nb試樣的EC達(dá)到了20.07 GPa，而當(dāng)Nb含量為10%時，其EC降低為14.76 GPa.

圖4 Zn-xNb復(fù)合材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Compressive stress-strain curves of Zn-xNb composites

表3 Zn-xNb復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能Table 3 Compressive test results of Zn-xNb composites

復(fù)合材料中的Nb顆粒呈層片狀分布于Zn基體中。在受力變形過程中，由于Nb顆粒與Zn基體存在硬度差異，Zn基體的位錯滑移會在較硬的Nb顆粒周圍環(huán)繞塞積，需要更多的能量才能繞開或穿過Nb顆粒繼續(xù)運動；同時在塑性變形時，為了使連接界面不開裂，硬粒子會對附近基體形成反向塑性切變，這一過程在附近基體中產(chǎn)生新位錯，在Nb顆粒附近會產(chǎn)生微觀的加工硬化效應(yīng)[36]。添加適量的Nb顆粒有利于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及抗形變能力，但Nb顆粒過多時會割裂Zn基體的連續(xù)性，在變形過程中其不規(guī)則的形狀會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致Nb顆粒附近易引起裂紋而使材料強(qiáng)度降低。因此，隨著Nb含量的增加，材料的σCYS先增加后減少，EC呈現(xiàn)相似趨勢。

2.2 Zn-xNb復(fù)合材料的降解腐蝕行為

2.2.1浸泡降解

圖5(a)為Zn-xNb試樣在浸泡降解實驗過程中質(zhì)量的變化及計算得出的腐蝕速率。在浸泡實驗初期(0～10天)，除Zn-10Nb以外，其余試樣質(zhì)量均有少量增加；在實驗中后期(10～30天)，試樣質(zhì)量則有不同程度的減少，試樣的Nb含量越高，其減少的質(zhì)量越多。對于Zn-10Nb試樣，在實驗第6天開始，其質(zhì)量有明顯的減少。Nb含量越高的試樣腐蝕速率越高。圖5(b)所示為浸泡液體的pH變化。浸泡液體的pH隨著浸泡時間的增加而增加，最終穩(wěn)定在7.62左右。試樣發(fā)生吸氧腐蝕生成的OH-會使溶液堿化，因此浸泡溶液pH的變化可以側(cè)面表明試樣在浸泡降解實驗過程中發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，且Nb含量越高的試樣其浸泡液體的pH增長越快，Zn-10Nb試樣的浸泡液體在第6天已達(dá)到7.62左右。

(a) 失重曲線；(b) 浸泡液體pH變化曲線圖5 Zn-xNb復(fù)合材料的浸泡腐蝕實驗結(jié)果Fig.5 Corrosion immersion test results of Zn-xNb composites

在浸泡降解實驗初期，由于Zn基體的電化學(xué)反應(yīng)，試樣表面附著氧化物及其它降解產(chǎn)物，導(dǎo)致試樣質(zhì)量少量增加。隨著浸泡時間的延長，電化學(xué)腐蝕持續(xù)進(jìn)行消耗基體中的Zn，而且粉末顆粒連接界面處由于存在大量的塑性形變引起的應(yīng)力集中，使其更易發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最終引起顆粒的剝離脫落。Zn/Zn2+標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.762 V/SHE，Nb/Nb3+標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-1.099 V/SHE，根據(jù)電極電位，Nb原子較Zn原子更容易失去電子，即Nb是較強(qiáng)的還原劑。Nb顆粒與Zn基體發(fā)生電偶腐蝕，Nb顆粒附近的電化學(xué)反應(yīng)會更加劇烈。由此可以推測，試樣的Nb含量越高，微觀的電偶腐蝕效應(yīng)越明顯，加快電化學(xué)反應(yīng)的同時也更容易發(fā)生物理脫落，間接增加Zn基體的暴露面積，加快了試樣整體的腐蝕速率。因此，在浸泡實驗中后期，試樣的質(zhì)量開始明顯減少。

1.3.1物相表征與形貌觀察

(a-d) Zn-10Nb試樣SEM圖像；(e) Nb元素EDS面掃描圖像；(f) Zn元素EDS面掃描圖像；(g) EDS元素總數(shù)圖譜定量結(jié)果圖6 Zn-10Nb浸泡30天后SEM圖像及EDS圖譜Fig.6 SEM images and EDS spectrum diagrams of Zn-10Nb after immersing for 30 days

圖7為浸泡降解實驗中收集的腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜。結(jié)果表明，Zn-xNb復(fù)合材料在模擬體液中的腐蝕產(chǎn)物主要為NbO2、ZnCO3、Zn3(PO4)2·4H2O以及Ca、Zn磷酸鹽與氧化物的混合物。Zn發(fā)生吸氧腐蝕生成Zn2+，并與模擬體液中的陰離子形成腐蝕產(chǎn)物沉淀。此外，還觀察到腐蝕產(chǎn)物中存在NbO2，表明Nb顆粒也參與到試樣表面的電化學(xué)反應(yīng)中。由于Nb的標(biāo)準(zhǔn)電極電位低于Zn，在Nb顆粒附近Nb會優(yōu)先發(fā)生電化學(xué)腐蝕被氧化，從而生成NbO2.

圖7 腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.7 XRD patterns of corrosion products

2.2.2電化學(xué)測試

試驗地位于江西省進(jìn)賢縣江西省紅壤研究所內(nèi)。地理位置為E28°15′30″，N116°20′24″，日照充足，無霜期長、雨量充沛、氣候溫和，屬于典型的中亞熱帶季風(fēng)氣候，年蒸發(fā)量1 100～1 200 mm，年均降雨量1 537 mm；干濕季節(jié)明顯，其中3-6月為雨季，降雨量占全年雨量61%～69%；7-9月為旱季，蒸發(fā)量占全年蒸發(fā)量的40%～59%；年平均氣溫17.7～18.5℃，最冷月氣溫(1月)為4.6℃；最熱月(7月)平均氣溫一般在28.0～29.8℃。地形為典型低丘，土壤為第四紀(jì)黏土母質(zhì)發(fā)育的紅壤，質(zhì)地較黏重，肥力中等。土壤pH值范圍為4.05～4.39。

圖8(a)為Zn-xNb試樣的動電位極化曲線，從中分離得到的電化學(xué)參數(shù)如表4所示。隨著Nb含量的增加，極化曲線向下朝腐蝕電位變低的方向偏移，擬合計算得到的腐蝕電流密度也隨之增加，充分表明試樣的Nb含量越高，耐腐蝕性越差。從純Zn到Zn-10Nb試樣的電化學(xué)腐蝕速率從0.026 mm/y增加到0.038 mm/y，其中Zn-5Nb與Zn-10Nb低于浸泡降解實驗得到的腐蝕速率。這是由于浸泡降解過程中存在顆粒的物理脫落，無法通過電化學(xué)測試表征計算，因而實際浸泡降解實驗測得的腐蝕速率要高于電化學(xué)測試所得速率。

圖8(b)為Nyquist圖。從中可以看出，各組試樣均包含一個壓縮的半圓容抗弧，表明其具有相似的腐蝕機(jī)制，且試樣Nb含量越高，試樣的容抗弧越小，表明腐蝕過程中阻抗越小，即越容易被腐蝕。圖8(c)為Bode圖，其阻抗-頻率圖部分低頻位置對應(yīng)試樣表面極化阻抗，高頻位置對應(yīng)電解液阻抗[40]；其相位角-頻率圖只出現(xiàn)一個波峰，表明不同試樣的阻抗譜具有一個時間常數(shù)[41]，這與Nyquist圖的結(jié)果一致。采用如圖8(d)所示的等效電路對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到表5中交流阻抗的擬合數(shù)據(jù)。其中Rs、Rp和CPEp分別代表溶液電阻、表面極化電阻和電容。由于電化學(xué)測試均在相同條件下進(jìn)行，Rs基本保持不變；Rp的大小反映試樣表面腐蝕的難易程度，Rp越小意味著試樣越容易發(fā)生腐蝕[42]。由表5可知，Nb含量越高的試樣Rp越小，即耐腐蝕性越差，進(jìn)一步證實Nb含量的增加可以加快試樣的腐蝕。

Zn-xNb(x=0,0.5,1,3,5,10，代表Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0，0.5%，1%，3%，5%，10%)復(fù)合材料以Zn金屬粉末(ALADDIN)與Nb金屬粉末(中科言諾)為原料，采用真空熱壓燒結(jié)工藝制備。流程如下：

(a) 動電位極化曲線；(b) Nyquist圖；(c) Bode圖；(d) 等效電路圖圖8 電化學(xué)測試結(jié)果Fig.8 Electrochemical test results

表4 從動電位極化曲線中得出的電化學(xué)參數(shù)Table 4 Electrochemical parameters derived from polarization curves

表5 交流阻抗的擬合參數(shù)Table 5 Fitting parameters of the EIS spectra of all the samples

2.3 細(xì)胞相容性

2.3.1試樣表面成骨細(xì)胞的增殖

圖9所示為試樣表面成骨細(xì)胞增殖實驗MTT結(jié)果。整體上看，成骨細(xì)胞在大部分試樣表面未出現(xiàn)明顯的增殖，純Zn試樣表面成骨細(xì)胞培養(yǎng)到第5天出現(xiàn)了抑制增殖的現(xiàn)象，而在Zn-10Nb試樣表面成骨細(xì)胞有一定程度的增殖。由于高濃度的Zn2+對成骨細(xì)胞有輕微毒性，接種的成骨細(xì)胞與試樣表面直接接觸，局部Zn2+濃度較高時對成骨細(xì)胞的增殖有不利影響。在純Zn試樣表面，細(xì)胞初期少量增殖而后增殖被抑制，這可能是由于純Zn試樣表面形成的鈍化層可在初期阻礙電化學(xué)腐蝕減少Zn2+釋放，隨著浸泡時間的增加，Cl-破壞了鈍化層導(dǎo)致局部腐蝕加快[43]，釋放的Zn2+增加，純Zn表面細(xì)胞毒性增強(qiáng)。而Nb顆粒的添加可能破壞了Zn基體鈍化層的連續(xù)性，影響初期表面Zn2+的釋放從而影響成骨細(xì)胞的增殖。因此對于Zn-0.5Nb與Zn-1Nb試樣，不連續(xù)的鈍化層使得其表面毒性較大，成骨細(xì)胞數(shù)量幾乎不變。在前文提到的Zn-Nb電偶腐蝕反應(yīng)中，Nb是具有還原性的陰極，與Zn基體內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)相比，在Nb顆粒附近的電化學(xué)反應(yīng)釋放的Zn2+會偏少。當(dāng)試樣表面Nb顆粒數(shù)量較多時可使局部區(qū)域釋放的Zn2+減少，有利于成骨細(xì)胞的增殖。因此，Nb含量較高的Zn-10Nb試樣表面成骨細(xì)胞的增殖相對最好。

圖中**表示各組之間有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異圖9 試樣表面成骨細(xì)胞的MTT測試結(jié)果Fig.9 MTT assay results of osteoblasts cultured on sample surfaces

2.3.2試樣表面的成骨細(xì)胞毒性

圖10所示為試樣表面成骨細(xì)胞的活死熒光染色圖，其中活細(xì)胞發(fā)出綠色熒光，死細(xì)胞發(fā)出紅色熒光。在染色圖中幾乎未觀察到死細(xì)胞，而活細(xì)胞數(shù)量變化情況與MTT測試結(jié)果基本保持一致。純Zn試樣表面第5天活細(xì)胞數(shù)量少于第3天，表明純Zn表面具有一定的細(xì)胞毒性，未觀察到死細(xì)胞可能是由于細(xì)胞死亡后脫離試樣表面，在更換培養(yǎng)基時被吸出。其余試樣均未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)胞毒性。

圖10 試樣表面成骨細(xì)胞的活死熒光染色圖Fig.10 Fluorescence images of live/dead staining of osteoblasts cultured on sample surfaces

2.3.3試樣表面成骨細(xì)胞的形貌

肉雞飼養(yǎng)過程中，養(yǎng)殖戶需要儲存一定量的飼料供應(yīng)肉雞食用需求，若養(yǎng)殖場環(huán)境存在高溫、高濕、通風(fēng)不暢等問題，極容易引起飼料的發(fā)霉變質(zhì)，肉雞食用后容易導(dǎo)致黃曲霉中毒或營養(yǎng)不良，進(jìn)而影響肉雞的身體健康和肉質(zhì)，導(dǎo)致肉雞患病，提高養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖成本，影響肉雞養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)收入。

圖11所示為成骨細(xì)胞在試樣表面培養(yǎng)24 h后的SEM形貌。第一組(a1)-(f1)為試樣表面直接接種成骨細(xì)胞的形貌，大部分呈圓球狀，處于未鋪展的狀態(tài)，僅在Zn-5Nb及Zn-10Nb試樣表面的細(xì)胞周圍觀察到有少量的細(xì)胞外基質(zhì)，這種狀態(tài)下的成骨細(xì)胞功能受限，活性較低，表明試樣在接觸培養(yǎng)基的初期，其表面的理化環(huán)境不利于細(xì)胞的黏附與鋪展。第二組(a2)-(f2)為試樣在培養(yǎng)基中浸泡5天后接種成骨細(xì)胞的形貌，相比于第一組，成骨細(xì)胞出現(xiàn)了鋪展，觀察到較多的細(xì)胞偽足與細(xì)胞外基質(zhì)。尤其是在Zn-5Nb及Zn-10Nb試樣表面，成骨細(xì)胞有充分的鋪展，尺寸接近正常狀態(tài)。通過兩組試樣表面細(xì)胞形貌的對比，可以推測，隨著試樣接觸培養(yǎng)基時間的增加，試樣表面的理化條件會發(fā)生變化，趨向于更適宜細(xì)胞黏附和鋪展，且Nb含量越高的試樣細(xì)胞相容性越好，這可能與試樣表面相關(guān)電化學(xué)反應(yīng)以及Zn2+濃度等因素有關(guān)。

圖11 試樣表面成骨細(xì)胞的SEM形貌圖Fig.11 SEM images of osteoblasts cultured on sample surfaces

2.3.4試樣浸提液中成骨細(xì)胞的增殖

圖12為使用100 %(圖12(a))和50 %(圖12(b))試樣浸提液培養(yǎng)成骨細(xì)胞的增殖情況。通過組內(nèi)對比可知，對細(xì)胞增殖效果最好的為Zn-10Nb試樣浸提液，純Zn試樣浸提液的細(xì)胞增殖效果相對最差，表明Nb含量越高的試樣的浸提液，越有利于成骨細(xì)胞的增殖。而通過組間對比可知，同一試樣不同濃度的浸提液，稀釋后更有利于成骨細(xì)胞的增殖，這極有可能是Zn2+濃度的降低引起的。由此可以推測，Nb含量越高的試樣接觸培養(yǎng)基時，在液體環(huán)境中釋放的Zn2+濃度越低，因此Zn-10Nb試樣的浸提液對成骨細(xì)胞的毒性最低。

(a) 100%試樣浸提液；(b) 50%試樣浸提液圖中**表示各組之間有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異圖12 試樣浸提液培養(yǎng)成骨細(xì)胞的MTT測試結(jié)果Fig.12 MTT assay results of osteoblasts cultured in extracts of the samples

3 結(jié)論與展望

本文采用真空熱壓燒結(jié)法制備了Zn-xNb(x=0,0.5,1,3,5,10)復(fù)合材料，研究了其微觀形貌與物相組成，并探討了不同的Nb含量對復(fù)合材料力學(xué)性能、腐蝕降解行為以及細(xì)胞相容性的影響，得出以下結(jié)論：

改革薪酬分配方法，是提高薪酬分配合理性、滿足新醫(yī)改要求的主要途徑。以科室的薪酬分配為例，當(dāng)醫(yī)院向科室分配薪酬時，應(yīng)采用平衡計分卡，對其關(guān)鍵業(yè)務(wù)指標(biāo)進(jìn)行計分。與此同時，根據(jù)醫(yī)護(hù)人員的成長情況、患者的反饋情況，確定醫(yī)護(hù)人員的薪酬。核算薪酬時，應(yīng)根據(jù)科室的類別，確定科室支出的負(fù)責(zé)人，確定科室的最終收入。例如：某醫(yī)院包括A、B三大科室，A科室基礎(chǔ)較強(qiáng)，效益良好，B科室為新建科室。當(dāng)分配薪酬時，A科室所產(chǎn)生的支出，需由科室自行承擔(dān)?？剖宜鶆?chuàng)造的收益，也需根據(jù)每位醫(yī)護(hù)人員的貢獻(xiàn)按勞分配。B科室所產(chǎn)生的支出，應(yīng)由醫(yī)院分?jǐn)?0%?？剖倚匠甑姆峙浞椒?，同樣應(yīng)以按勞分配為主，以激發(fā)B科室醫(yī)護(hù)人員的工作積極性。

1) Nb顆粒以層片狀均勻分布于Zn基體中，隨著Nb含量的增加，Zn-xNb復(fù)合材料壓縮屈服強(qiáng)度先增加后減少，其中Zn-0.5Nb表現(xiàn)出最佳壓縮屈服強(qiáng)度162.4 MPa，表明適量Nb顆粒的添加可以改善Zn基體的力學(xué)性能。

2) 體外降解過程中，Zn-xNb復(fù)合材料的降解是通過電化學(xué)腐蝕與物理脫落共同實現(xiàn)。Nb的添加量越多，材料的降解速率越快，從純Zn到Zn-10Nb，體外降解速率由0.005 6 mm/y增加至0.118 6 mm/y.由此表明，可通過改變復(fù)合材料中Nb的含量調(diào)控其降解速率。

3) 與純Zn相比，添加Nb顆粒有利于成骨細(xì)胞的鋪展，對細(xì)胞增殖也有一定的促進(jìn)效果，且添加的Nb越多，復(fù)合材料的細(xì)胞相容性越好。

骨修復(fù)材料通常要求能夠維持3～6個月的服役期，那么其體外降解速率應(yīng)小于0.5 mm/y[44].本文設(shè)計制備的Zn-xNb復(fù)合材料中，Zn-10Nb在r-SBF中降解速率達(dá)到0.118 6 mm/y，在Zn基BMs中處于較高水平，且相比于純Zn細(xì)胞相容性有一定的提升，為Zn基BMs的研發(fā)提供了新的方法與思路。未來還需要通過工藝的改善或原材料的改良進(jìn)一步提高Zn-xNb復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，同時也需要更深入研究Zn-xNb復(fù)合材料在長期植入過程中力學(xué)性能的衰退與降解速率的變化，評估材料在體內(nèi)長期植入對附近組織的影響，探究材料降解產(chǎn)物的代謝途徑，為盡快走向臨床做更多鋪墊。