徐燕，張志珍，季潔，賈韻熠，吳佳妮，裴鶯蘿，姬海瑞，趙明純

(中南大學 材料科學與工程學院，長沙 410083)

鎂和鎂合金具有良好的生物相容性和與人骨相當的彈性模量，是一種具有很大應用潛力的生物可降解植入材料[1?4]。鎂合金植入物在人體內被逐漸降解吸收或排泄，在骨骼組織愈合后消失，從而避免二次手術而導致的傷害[5?10]。研究表明，ZK30-Cu合金具有優(yōu)異的抗菌能力，可滿足植入骨材料消炎抗菌的更高要求，但ZK30-Cu合金在生理環(huán)境下降解過快[11?14]，與骨愈合速率不匹配，導致植入物與周圍組織之間形成縫隙[15]。因此，作為人體植入物，必須降低ZK30-Cu合金的降解速率。眾所周知，含Cr不銹鋼在氧化介質中可形成以Cr2O3為基體的穩(wěn)定的表面防護膜而產生鈍化現象，這種富Cr的氧化膜在很多介質中都具有良好的穩(wěn)定性，從而提高鋼的耐腐蝕性能。根據這一原理，把Cr添加到鎂合金中有望提高鎂合金的耐腐蝕性能。BUHA[16]采用鑄造法制備含微量Cr的Mg-Zn合金，發(fā)現Cr固溶至鎂基體中，加速析出動力學，從而顯著改善Mg-Zn合金的時效硬化響應。黃曉峰等[17]將Cr加入到ZC61鎂合金中，未生成新相，但可抑制α-Mg相在較高溫度或較長時間下的粗化，從而減小α-Mg的平均晶粒尺寸。VILARIGUES等[18]采用離子注入的方法，分別將中等含量和高含量Cr注入金屬Mg的表面，通過浸泡腐蝕發(fā)現，注入高含量Cr的鎂合金腐蝕速率約為未注入Cr的十分之一，注入中等含量Cr的鎂合金腐蝕速率更低。但目前為止，Cr對鎂合金耐腐蝕性能的影響還沒有明確的定論，對于Cr含量對鎂合金植入材料降解性能的影響沒有文獻報道。本文作者在高效抗菌的ZK30-0.2Cu合金中添加Cr，采用快速高效、節(jié)能無污染的微波燒結法制備Cr含量(質量分數)為0～0.40%的ZK30-0.2Cu-Cr合金, 系統(tǒng)研究Cr含量對合金微觀結構和力學性能、降解性能、生物相容性與抗菌性能的影響。該研究對于ZK30- 0.2Cu-Cr作為新型抗菌金屬材料的臨床應用具有重要意義。

1 實驗

1.1 ZK30-0.2Cu-Cr合金制備

所用原料ZK30粉末、Cu粉和Cr粉均為高純度(質量分數為99.9%)粉末，購于河北羅鴻科技有限公司。其中ZK30粉末的平均粒徑為40 μm，Cu粉和Cr粉的平均粒徑均為20 μm。采用微波燒結法制備w(Cr)分別為0、0.05%、0.10%、0.20%和0.40%的ZK30- 0.2Cu-Cr合金。首先按照合金的名義成分稱量原料粉末，通過球磨使粉末混合均勻。用電子萬能試驗機將混合粉末壓制成直徑為10 mm、長度為15 mm左右的圓柱體，壓力為400 MPa，保壓時間120 s。然后用HY-ZG1512型微波管式爐進行微波燒結，升溫速率為11 ℃/min，燒結溫度為660 ℃，此溫度略低于ZK30粉末的熔點，以獲得良好的燒結效果，保溫時間30 min。為了防止鎂合金在高溫下發(fā)生氧化，燒結過程中通氬氣進行保護，氣體流量為4～5 L/min。

1.2 組織與性能表征

依次用400#、800#、1 000#、1 500#和2 000#砂紙將ZK30-0.2Cu-Cr合金打磨至表面無明顯劃痕，每更換一次砂紙型號，將合金樣品旋轉90°。然后用2.5 μm金剛石拋光膏將合金表面拋光至光亮狀態(tài)，再用硝酸酒精溶液(硝酸和酒精的體積分數分別為4%和96%)進行腐蝕，腐蝕時間為10～15 s。用Leica DMI 3000K型倒置金相顯微鏡觀察合金的金相組織。采用X射線衍射儀(XRD，D/max 2550)分析合金的物相組成，Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為30 mA，掃描速度為5 (°)/min，掃描范圍為20°～90°。通過掃描電鏡(荷蘭 PHILIPS公司，Quanta-200)觀察合金表面形貌，并用配備的能譜儀(EDS)分析表面的元素分布。

用自動轉塔數顯顯微硬度計(上海皆準儀器設備有限公司，HXD-1000TM/LCD)測定合金的維氏硬度(HV)。負載為2.94 N，保載時間為15 s，隨機選取10個點進行測定，計算平均值作為合金的最終硬度。

1.3 耐腐蝕性能

采用浸泡試驗、析氫試驗和電化學試驗評定ZK30-0.2Cu-Cr合金的降解性能。浸泡試驗以Hank’s溶液作為模擬體液介質，在(37±1) ℃水浴中進行。Hank’s溶液的成分列于表1。合金表面面積與Hank’s溶液體積的恒定比例設置為1 cm2/30 mL。每浸泡24 h更換一次Hank’s溶液以保證腐蝕溶液的pH值為7.4左右。浸泡72 h后去除合金表面的腐蝕產物，稱量合金的質量，按照式(1)[19]計算浸泡腐蝕后的質量損失率(mass loss rate)。然后利用質量損失率和式(2)[16]計算合金的降解速率(degradation rate)。

表1 Hank’s溶液的組成 Table 1 Composition of Hank’s solution

式(1)和式(2)中：Rml為模擬體液中浸泡72 h后的質量損失率，mg/(cm2·d)；mb和ma分別為合金浸泡前和浸泡72 h后的質量，mg；A為合金試樣與腐蝕液的接觸面積，cm2；t為浸泡時間，d；Rdm為合金的降解速率，mm/a。為了確保實驗結果可靠，相同Cr含量的合金取3個試樣進行浸泡腐蝕實驗，取平均值。用XRD對在Hank’s溶液中浸泡72 h后的合金表面腐蝕產物進行物相分析。

析氫實驗同樣采用Hank’s溶液，浸泡時間為72 h，于不同時間間隔觀察析氫體積，根據析氫體積與試樣表面積計算出單位面積的析氫量。相同Cr含量的合金取3個試樣進行析氫試驗，取平均值。通過式(3)將試驗得到的析氫速率轉換為腐蝕速率[20]。

式中：Rcorr為腐蝕速率，毫米/年(即mm/a)；2HV為析氫速率(H2evolution rate)，mL/(cm2?d)。

另外，采用電化學工作站(MUL TI AUTOLAB)對ZK30-0.2Cu-Cr合金的電化學行為進行表征。依據標準的三極體系，用直徑和長度分別為10 mm左右和15 mm左右的圓柱體ZK30-0.2Cu-Cr合金作為工作電極(working electrode)，尺寸為25 mm×25 mm的鉑絲網作為對電極(counter electrode)，參比電極為飽和Ag/AgCl(飽和KCl中)。在Hank’s溶液中于37 ℃恒溫下測定極化曲線，掃描速率為1 mV/s，根據極化曲線得到自腐蝕電流密度(Jcorr)與腐蝕電位(Ecorr)，并用式(4)計算降解速率[20]

式中：Rd為合金的腐蝕速率，mm/a；Jcorr為自腐蝕電流密度，μA/cm2。

1.4 生物相容性

以人骨肉瘤MG63細胞為細胞模型評估ZK30- 0.2Cu-Cr合金的細胞相容性。用環(huán)氧樹脂封裝合金試樣，暴露圓柱形試樣的一個端面(直徑為10 mm的圓形)作為工作表面。將封裝后的合金試樣放入經Dulbecco’s 改性的Eagle’s 培養(yǎng)基(即DMEM培養(yǎng)基)溶液中(試樣的工作表面積與溶液體積之比為1.25 cm2/mL)，然后置于含5%CO2(體積分數)濕空氣中培養(yǎng)24 h，培養(yǎng)溫度為37 ℃。隨后取出試樣，將溶液離心、過濾，提取上清液作為合金萃取液。將合金萃取液置于4 ℃的環(huán)境中冷藏，用于細胞活性實驗。將 MG63 細胞用 DMEM以50個細胞/mL的密度在96孔板中培養(yǎng)4 h，隨后把各孔中的 DMEM 培養(yǎng)液替換成100 μL的合金萃取液，進一步培養(yǎng)3天，對照組的培養(yǎng)基不含合金萃取液。用熒光顯微鏡(BX60, Olympus, Tokyo, Japan)觀察在不同成分合金萃取液中培養(yǎng)的人骨肉瘤MG63細胞的細胞活性與形態(tài)。細胞增殖實驗采用同樣的方法，用100 μL合金萃取液替換培養(yǎng)基，進一步培養(yǎng)1天、4天和7天，隨后在細胞培養(yǎng)板的各孔中添加MTT溶液，在37 ℃下繼續(xù)培養(yǎng)4 h，然后用二甲基亞砜(DMSO)溶解形成的聚甲醛，用微型平板閱讀器(Thermo Scientific Multiscan GO, USA)在 450 nm 波長下測量光學密度(optical density, OD，用符號do表示)，光的參考波長為570 nm，用式(5)計算細胞的相對生長率，以表征細胞活性。為保證實驗的準確性，每個成分的合金進行3次實驗，取平均值。

式中：RRG為細胞的相對生長率，%；do(sample)和do(blank)分別為合金組和空白對照組(DMEM培養(yǎng)基)的光 密度。

1.5 抗菌性能

選用的細菌為大腸桿菌(ATCC 25922)，采用細菌計數法對ZK30-0.2Cu-Cr合金進行抗菌性能測定。將合金樣品放入經過紫外線照射滅菌的Hank’s溶液中，于(37±0.5) ℃溫度下浸泡24 h，合金表面積與Hank’s溶液體積之比為1.25 cm2/mL。從Hank’s溶液中取出合金，將溶液離心，提取上清液。將濃度為1×106cfu/mL的細菌懸液與提取液按體積比為1:9混合，置于含5%CO2(體積分數)、37 ℃的濕空氣中培養(yǎng)24 h，然后加入磷酸鹽緩沖溶液稀釋細菌懸液與上清液混合液體至103cfu/mL。取0.1 mL稀釋后的混合液，在瓊脂平板上均勻鋪開，在含5%CO2(體積分數)、37 ℃的濕空氣中再培養(yǎng) 24 h，定量計數瓊脂平板上的活菌菌落數，用式(6)計算抗菌率。

式中：Ranti為抗菌率，%；ncontral和nsample分別為對照組和ZK30-0.2Cu-Cr合金表面的菌落數。

2 結果與分析

2.1 顯微組織

圖1所示為不同Cr含量的ZK30-0.2Cu-Cr合金金相顯微組織照片。從圖中看出，粉末顆粒之間發(fā)生冶金結合，較大顆粒之間存在微孔，細小顆粒之間結合更好。微波燒結時，在微波電磁場的作用下，通過電導損耗、磁損耗和電介質損耗將吸收的微波場能量轉化為熱能，使金屬粉末升溫，粉末顆粒之間逐漸形成燒結頸而發(fā)生冶金結合[22]。受Mg的吸波性能較弱、粉末顆粒尺寸較大以及趨膚效應[23]的影響，在微波加熱過程中，金屬粉末在磁場作用下產生的渦流集中在顆粒表面，阻礙微波的穿透，使得微波作用的深度僅在ZK30粉末顆粒的表層區(qū)域，熱量由粉末顆粒表面通過熱傳導、熱對流和熱輻射的方式傳遞至粉末顆粒內部。因此，粉末越細小，微波穿透效果越好，粉末之間的冶金結合越充分。大顆粒粉末由于微波穿透深度有限，且冶金結合不充分，更易形成微孔，合金孔隙率較大。

圖1 不同Cr含量的ZK30-0.2Cu-Cr合金金相顯微組織 Fig.1 Metallographic microstructure of ZK30-0.2Cu-Cr alloy with different w(Cr)

圖2所示為ZK30-0.2Cu-Cr合金的XRD譜。從圖中觀察到所有合金中都含有αMg、MgZnCu和MgZn2相，未發(fā)現Cr元素的衍射峰。當被檢測物相的含量較低時，受XRD檢測技術精度的限制，存在物相檢測不出的情況。

圖2 不同Cr含量的ZK30-0.2Cu-Cr 合金的XRD譜 Fig.2 XRD patterns of ZK30-0.2Cu-Cr alloys with different w(Cr)

圖3所示為ZK30-0.2Cu-Cr合金形貌的SEM照片，表2所列為圖3中相應位置的EDS分析結果。圖3與圖1所示結果一致，不同Cr含量的合金表面均存在孔洞，大顆粒粉末周圍的孔洞數量更多。從表2可知，ZK30-0.2Cu合金的基體中(A點)的w(Cu)為0.12%，表明Cu向基體內發(fā)生固相擴散。隨Cr含量 增加，Cr在ZK30基體中的固溶度增加，ZK30-0.2Cu- 0.05Cr合金基體中w(Cr)為0.12%；ZK30-0.2Cu-0.4Cr合金基體中w(Cr)增加到0.34%。從圖3還看出，在ZK30-0.2Cu-0.2Cr和ZK30-0.2Cu-0.4Cr合金中均存在Cr粉顆粒，后者的Cr顆粒更多，這是由于ZK30粉末對微波的吸收效果較差，冶金結合僅存在于表層一定深度，燒結體內較大顆粒的Cr粉與基體之間冶金結合不充分，Cr的固相擴散不完全，導致殘留少部分Cr粉顆粒。

表2 圖3中點A、B、C和D的EDS元素組成 Table 2 EDS element composition of point A, B, C and D in Fig.3

圖3 ZK30-0.2Cu-Cr合金形貌的SEM圖 Fig.3 SEM images of ZK30-0.2Cu-Cr alloys with different w(Cr)

2.2 顯微硬度

圖4所示為Cr含量對ZK30-0.2Cu-Cr合金維氏硬度(HV)的影響。由圖可知，ZK30-0.2Cu的HV為36，添加Cr使ZK30-0.2Cu-Cr合金硬度提高，并且合金硬 度隨Cr含量增加而提高，ZK30-0.2Cu-0.4Cr的硬度達到最大值，HV為47.2。這是因為隨Cr含量增加，Cr在合金基體中的固溶度增大，固溶強化效果更顯著，故合金硬度提高。

圖4 Cr含量對ZK30-0.2Cu-Cr合金硬度的影響 Fig.4 Effect of Cr content on hardness of ZK30-0.2Cu-Cr alloys

2.3 耐腐蝕性能

ZK30-0.2Cu-Cr合金浸泡在Hank’s溶液中時，合金表面的Mg與水極易發(fā)生反應，生成Mg(OH)2并釋放出H2。圖5所示為合金浸泡72 h后的質量損失和浸泡過程中析氫量隨浸泡時間的變化。從圖5(a)看出，ZK30-0.2Cu-0.05Cr合金的質量損失率最大，表明該合金在Hank’s溶液中的耐腐蝕性能最差；ZK30-0.2Cu- 0.2Cr合金的質量損失率最小，合金的耐腐蝕性能最好。浸泡實驗過程中的析氫量增加越快，表明合金的腐蝕速率越快。從圖5(b)看出，浸泡實驗由開始至24 h，析氫量緩慢增加，合金的腐蝕速率較慢，可能是鎂合金表面產生的氧化膜對基體存在一定的保護作用。隨浸泡時間進一步延長，所有ZK30-0.2Cu-Cr合金的腐蝕速率均加快。原因是溶液中氯離子濃度高，合金表層氧化膜被破壞，合金暴露在溶液中的面積增大，進而腐蝕速率加快。浸泡60 h之后，除了ZK30-0.2Cu- 0.05Cr合金外，其他合金的腐蝕速率放緩，這是由于合金表面被腐蝕產物覆蓋，防止鎂合金進一步被腐蝕。從圖5(b)還看出，ZK30-0.2Cu-Cr合金的腐蝕速率隨Cr含量增加呈波動變化。ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金的腐蝕速率最慢，ZK30-0.2Cu-0.05Cr合金的腐蝕速率 最快。

圖5 ZK30-0.2Cu-Cr合金的浸泡腐蝕實驗結果 Fig.5 Immersion corrosion results of ZK30-0.2Cu-Cr alloy

圖6所示為ZK30-0.2Cu-0.4Cr合金在Hank’s溶液中浸泡72 h后的表面XRD譜。從圖中看出合金表面的腐蝕產物主要為Mg(OH)2和Cr2O3。基體合金中的Mg元素和溶液中的H2O發(fā)生化學反應，生成Mg(OH)2和氫氣，Cr元素與溶液中的O2結合生成Cr2O3。Mg(OH)2和Cr2O3覆蓋在合金表面，對基體起到保護作用，延緩基體進一步被腐蝕，從而降低腐蝕速率。

圖6 ZK30-0.2Cu-0.4Cr合金在Hank’s溶液中 浸泡72 h后的表面XRD譜 Fig.6 Surface XRD pattern of ZK30-0.2Cu-0.4Cr alloy immersed for 72 h in Hank’s solution

圖7所示為ZK30-0.2Cu-Cr合金在Hank’s溶液中的電化學極化曲線。ZK30-0.2Cu-Cr合金的陰極極化曲線歸因于水被還原析出氫氣，而陽極極化曲線則與Mg溶解形成Mg2+有關。通過對極化曲線上Tafel區(qū)域的外推法，得到腐蝕電位(Ecorr)和自腐蝕電流密度(Jcorr)，列于表3。腐蝕電位用來表征合金的腐蝕趨勢，而自腐蝕電流密度則表征腐蝕速率。ZK30-0.2Cu合金的Jcorr為13.50 μA/cm2，ZK30-0.2Cu-0.1Cr和ZK30- 0.2Cu-0.4Cr的Jcorr低于ZK30-0.2Cu的，分別為6.39 μA/cm2和7.62 μA/cm2，表明后兩種合金具有較好的耐蝕性能。腐蝕電位具有與自腐蝕電流密度相似的變化趨勢。結合浸泡腐蝕實驗結果可知，ZK30-0.2Cu- 0.1Cr具有最好的耐蝕性能。

圖7 不同Cr含量的ZK30-0.2Cu-Cr合金極化曲線 Fig.7 Polarization curves of ZK30-0.2Cu-Cr alloys with different w(Cr)

表3 ZK30-0.2Cu-Cr合金在Hank’s溶液中的 極化曲線擬合結果 Table 3 Polarization curve fitting results of ZK30-0.2Cu-Cr alloy in Hank’s solution

鎂及其合金的化學性質活潑，并且具有很低的標準電位(?2.37 V)，因此其表面很容易形成具有保護作用的Mg(OH)2膜，如式(7)所示，使腐蝕速率降低。但在不同的溶液中，鎂合金表現出不同的耐腐蝕性能。體液中存在的各種無機和有機成分，例如氨基酸、蛋白質和氯離子(Cl?)均可影響鎂合金的腐蝕行為。從表1可知Hank’s溶液中含有大量氯離子，氯離子將Mg(OH)2轉化為MgCl2，如式(8)所示，使合金表面原本不溶的腐蝕層脫落，而導致鎂合金的腐蝕速率加快。

另一方面，Cr和氧元素結合生成Cr2O3，在金屬表面起到保護作用，提高鎂合金的耐蝕性能。在合金的燒結過程中，Cr擴散距離較短，隨Cr含量增加，多余的Cr形成富Cr相，如圖3(d)和(e)所示，Cr的標準電位?0.41 V，顯著高于Mg的標準電位，在鎂基體和富Cr相之間形成微電池，發(fā)生電偶腐蝕，從而加劇合金的耐蝕。Cr2O3的形成與原電池的形成分別對ZK30-0.2Cu-Cr合金的腐蝕產生阻礙和促進作用，因而腐蝕速率取決于二者中占優(yōu)勢的一方，在這兩方面的綜合作用下，隨Cr含量增加，ZK30-0.2Cu-Cr合金的腐蝕速率不是呈單一的變化趨勢，而是隨Cr含量增加而波動變化。

表4所列為分別由Hank’s溶液浸泡試驗(質量損失率與析氫量)和電化學實驗得到的腐蝕速率。由浸泡腐蝕的析氫量和質量損失率得到的腐蝕速率明顯大于電化學實驗的腐蝕速率。因為極化曲線表征的是合金表面瞬間的腐蝕速率，可反映不同成分合金的腐蝕性能。但由于合金在體液中的降解環(huán)境復雜以及表面腐蝕產物的形成，通常需要進行析氫和浸泡試驗來表征長時間的平均腐蝕速率。通常用這3種腐蝕速率綜合表征合金的抗腐蝕性能，其中ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金的抗腐蝕性能最好。

表4 ZK30-0.2Cu-Cr 合金的腐蝕實驗結果 Table 4 Corrosion data of ZK30-0.2Cu-Cr alloys

2.4 生物學性能

2.4.1 生物相容性

圖8所示為MG63細胞在ZK30-0.2Cu-Cr合金提取液中培養(yǎng)3 d后細胞的生長情況。其中活細胞為綠色，死細胞為紅色，可見所有樣品的熒光照片中均顯示大量活細胞，且不同成分合金培養(yǎng)液培養(yǎng)的活細胞密度無明顯差異。細胞的形態(tài)為梭形，細胞生長形態(tài)良好，表明所有ZK30-0.2Cu-Cr合金均無細胞毒性。

圖8 ZK30-0.2Cu-Cr合金提取液培養(yǎng)3 d后 MG63 細胞的熒光形態(tài) Fig.8 Fluorescence morphologies of MG63 cells after 3 d of culture with ZK30-0.2Cu-Cr alloy extract

圖9所示為MG63細胞在ZK30-0.2Cu-Cr合金提取液中培養(yǎng)1、4和7 d后細胞的相對增長率(relative grouth rate,RRG)。根據ISO 10993-5規(guī)定，當細胞的相對生長率高于75%時，則該種生物材料不具備細胞毒性。由圖9可知，培養(yǎng)1 d后，細胞在所有合金提取物中的RGR都超過90%，這表明MG63細胞增殖速度較快，細胞生長較好。其中ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金的RGR最高，達到103%。在4 d后，RGR值增加到110%～130%。這表明細胞的生長條件良好。在7 d后，RGR仍高于100%。綜上所述，不同Cr含量的ZK30- 0.2Cu-Cr合金均沒有細胞毒性，并且具有良好的生物相容性。

圖9 MG63細胞在ZK30-0.2Cu-Cr合金提取液中 培養(yǎng) 1、4、7 d后的相對增長率 Fig.9 The relative growth rate (RRG) of MG63 cells cultured in ZK30-0.2Cu-xCr alloy extract for 1, 4 and 7 d

金屬植入物材料在腐蝕過程中釋放出金屬離子，這些金屬離子可能對細胞具有毒性。ZK30-0.2Cu-Cr合金在體液中釋放出鎂離子、鋅離子、銅離子和鉻離子等，其中鎂離子是形成生物磷灰石的最重要的二價離子之一，它直接影響破骨細胞，并且是影響骨代謝的重要因素。鋅是對人類至關重要的元素，與代謝及酶的構成有密切關系，約有160種酶含有鋅元素，在鋅缺乏癥中，幾乎所有生理功能都受到強烈干擾[21]。作為人體必需的微量元素之一，銅具有成骨和促進血管生成的功能。鉻元素也是人體必需的微量元素之一，在減少應激、提高免疫力、改善胴體品質和提高繁殖性能等方面具有良好的功效。此外，本研究采用微波燒結制備的ZK30-0.2Cu-Cr合金還具有良好的細胞相容性，是具有潛在應用的金屬植入物材料。

2.4.2 抗菌性能

圖10所示為大腸桿菌在ZK30-0.2Cu-Cr合金提取物中培養(yǎng)24 h后的菌落形貌。從對照組樣品上觀察到大量的細菌，而用ZK30-0.2Cu合金提取物培養(yǎng)的樣品上細菌數量明顯減少，ZK30-0.2Cu、ZK30-0.2Cu- 0.05Cr、ZK30-0.2Cu-0.1Cr、ZK30-0.2Cu-0.2Cr和ZK30- 0.2Cu-0.4Cr等5種合金的抗菌率分別為99.08%、99.38%、95.38%、99.08%和93.85%。其中ZK30-0.2Cu- 0.05Cr的抗菌性能最好。ZK30-0.2Cu-Cr抗菌性能來自體液環(huán)境中合金降解過程中銅離子的釋放。細菌的細胞壁帶有負電荷，帶正電荷的銅離子吸附在細菌的 細胞壁上，破壞膜的通透性，導致細胞膜萎縮，隨后細胞溶解[24]。因此ZK30-0.2Cu-Cr合金的抗菌性能與腐蝕過程中Cu2+的釋放相關，腐蝕速率越快的ZK30- 0.2Cu-Cr合金，釋放的Cu2+離子越多，抗菌性能越好。耐腐蝕性能最好的ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金可以保證Cu離子較長時間持續(xù)釋放。

圖10 大腸桿菌共培養(yǎng)24 h后瓊脂平板上菌落生長的照片 Fig.10 Photographs of colony growth on agar plate after E. coli co-cultivation for 24 h

3 結論

1) 采用微波燒結技術制備ZK30-0.2Cu-Cr合金(Cu的質量分數分別為0、0.05%、0.10%、0.20%和0.40 %)，合金中尺寸較小的粉末顆粒之間冶金結合較好，粉末之間空隙較小。隨Cr含量增加，有少部分Cr粉末顆粒殘留，且孔隙率較大。

2) Cr固溶在ZK30-0.2Cu合金基體中產生固溶強化作用，隨Cr含量從0增加至0.2%，合金硬度升高，當Cr含量繼續(xù)升高時，硬度變化不大。

3) ZK30-0.2Cu-Cr合金浸泡在模擬體液中，體液中的氯離子使鎂合金表面氧化膜脫落，加快鎂的腐蝕速率。Cr含量較小時，Cr與Mg基體在燒結過程中發(fā)生較完全的冶金結合，Cr充分擴散，固溶至鎂基體內，形成Cr2O3，可提高鎂合金的耐蝕性能；Cr含量過多時，合金基體內形成富Cr相，導致合金的耐蝕性能降低。ZK30-0.2Cu-0.1Cr合金抗腐蝕性能最好。

4) 不同Cr含量的ZK30-0.2Cu-Cr合金提取液培養(yǎng)環(huán)境中的活細胞數量無明顯差異，且無死細胞，表明該合金無細胞毒性，且有良好的細胞相容性。同時ZK30-0.2Cu-Cr合金具有較好的抗菌性能，抗菌率在93%以上。