本发明属于金属材料表面改性技术领域，特别涉及一种改善生物医用镁表面性能及腐蚀磨损行为的方法。
背景技术：
目前，应用于生物医用领域最广泛的金属材料主要有不锈钢、钛合金及钴铬合金等，但由于此类金属材料弹性模量过大，会导致“应力遮挡效应”，不利于新骨细胞的成长和骨愈合，且其在人体环境下不可降解，需要进行二次手术取出，增加了临床患者的医疗经济负担和痛苦。与目前临床使用的此类材料相比，镁材料具有诸多优势。镁元素是人体新陈代谢必须的元素之一，具有良好的生物相容性，镁及镁合金密度和弹性模量接近人骨，可有效避免应力遮挡现象，刺激新骨成长，更重要的是镁材料作为植入物在人体体液环境中可自然降解，从而可避免二次手术,在生物医药领域具有广泛的应用前景。然而，由于镁化学性质过于活泼，在生理环境中降解速率过快，用于人体内关节连接处时会发生腐蚀磨损现象，伴随着机械完整性的丧失，导致镁植入体的提前失效。且纯镁作为一系列生物医用镁合金的基体，机械性能较差，达不到生物医用的力学性能要求。因此，提高纯镁的机械性能、耐蚀性能及腐蚀磨损性能对于推动其在生物医疗领域的应用具有重要意义。
离子注入技术是一种改善材料表面性能的有效手段，它可以将任何元素注入所选基体，注入过程基本不改变基体尺寸且改性层不存在突变界面，目前人们已通过离子注入技术将al、ti、ta、ce、zr等单元素及zr-o、zr-n、cr-o等双元素注入镁及镁合金表面，通过在表面形成注入改性层提高表面机械性能及耐蚀性能。注入元素的选择对于提高材料表面性能至关重要。锶元素是人体必需的微量元素之一，可促进成骨细胞的生长，具有良好的生物相容性，已有研究通过熔炼的方式将锶加入纯镁中，可提高纯镁的机械性能及耐蚀性能（actabiomaterialia,2012,8,2360-2374;journalofthemachanicalbehaviorofbiomedicalmaterials,2012,7,87-95）。然而，由于镁和锶化学性质较为活泼，在较为复杂的合金熔炼过程中易发生蒸发及氧化燃烧现象，导致资源浪费，生产成本增加，且熔炼镁合金过程易产生缺陷，导致铸件成品的力学性能及耐蚀性能下降，限制了镁合金的应用。而通过离子注入技术可有效避免上述熔炼的缺点，且采用离子注入技术，将锶离子注入纯镁表面的研究尚未见报道，锶离子的注入提高纯镁表面的机械性能和耐蚀性能的研究也尚未见报道。因此，本发明提出以锶为注入离子，通过离子注入技术将其注入纯镁表面，以改善纯镁表面的机械性能、耐腐蚀性能及腐蚀磨损行为。
技术实现要素：
为了解决现有技术中生物医用镁机械性能和耐蚀性能达不到使用要求的技术问题，本发明提供一种改善生物医用镁表面性能及腐蚀磨损行为的方法，该方法通过离子注入技术将锶离子注入纯镁表面，在纯镁表面形成由氧化锶和氧化镁组成的致密改性层，在腐蚀性环境中可有效阻碍侵蚀性介质，提高镁的机械性能及耐腐蚀性能，扩大了镁材料的应用范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种改善生物医用镁表面性能及腐蚀磨损行为的方法，其特征在于，将生物相容性的锶注入纯镁表面。
进一步的，所述方法，包括以下步骤：首先将纯镁试样表面进行打磨并抛光，分别用丙酮和乙醇超声清洗，空气中自然干燥后放入离子注入工作腔室；将锶靶材分别用丙酮和无水乙醇超声清洗，再进行打磨，然后将清洗打磨后的锶靶材放入离子注入阴极，抽真空，用惰性气体清洗离子注入工作腔室，随后打开离子源并预热10min，设置注入剂量，打开引出电源，调节引出电压和引出电流，进行锶离子向纯镁试样表面的注入。
进一步的，所述步骤中纯镁试样表面的打磨：依次用280目、500目和800目的金相砂纸对纯镁表面进行打磨，所述步骤中纯镁试样表面的抛光：使用w3.5型金刚石抛光膏将纯镁试样抛光至镜面。
进一步的，所述步骤中纯镁试样分别在丙酮和无水乙醇中清洗时间为5~15min。
进一步的，所述步骤中锶靶材分别在丙酮和无水乙醇中清洗时间为5~20min。
进一步的，清洗离子注入工作腔室所用的惰性气体为氮气或氩气，清洗次数为2~5次。
进一步的，离子注入时，离子注入工作腔室的真空度为1.0×10-4~4.0×10-4pa。
进一步的，离子注入时，锶离子的注入剂量为0.5×1016~3×1016ions/cm2。
进一步的，在离子注入过程中，引出电压为50~80kv，引出电流为200~600μa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明丰富了离子注入改性镁及镁合金的手段，扩大了镁及镁合金的应用范围。另外，本发明制备工艺简单有效，环保无污染，制备的锶离子注入改性层与基体结合力强，增强了纯镁表面的硬度、弹性模量，提高了其在模拟体液中的耐磨损性能，减小了其在模拟体液中的腐蚀速率，且改性层具有良好的生物相容性，为镁及镁合金在生物医药领域的广泛应用提供了技术保障。
附图说明
图1是纯镁及锶注入纯镁的硬度及弹性模量随着压入深度的变化曲线；
图2是纯镁及锶注入纯镁的摩擦系数变化曲线；
图3是纯镁及锶注入纯镁在模拟体液中的极化曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
将纯镁试样表面进行打磨并抛光：依次用280目、500目和800目的金相砂纸对纯镁表面进行打磨，所述步骤中纯镁试样表面的抛光：使用w3.5型金刚石抛光膏将纯镁试样抛光至镜面；再用丙酮超声清洗10min，无水乙醇超声清洗10min，置于空气中自然干燥后放入离子注入工作腔室；将锶靶材置于丙酮超声清洗5min，无水乙醇超声清洗5min，再对锶靶材采用砂纸进行打磨，然后将清洗打磨后的锶靶材立即放入离子注入阴极，抽真空，通氩气清洗工作腔室2次，抽真空至2.0×10-4pa，随后打开离子源并预热10min，设置注入剂量为2×1016ions/cm2，打开引出电源，调节引出电压为60kv，引出电流为300μa，进行锶离子注入，注入过程结束后取出试样保存。
由于锶元素化学性质较为活泼，买回的锶靶材采用油封避免氧化，因此使用时首先采用丙酮和无水乙醇将锶靶材表面的保护油清洗干净，再采用砂纸将其表面形成的氧化层打磨后，立即放入离子注入阴极。
图1为纯镁(a)和锶注入纯镁(b)的纳米硬度及弹性模量变化曲线，从图中可以看出经锶注入改性后的纯镁纳米硬度和弹性模量均大于未注入的，纯镁硬度由1.18gpa增大至1.57gpa，弹性模量由43.4gpa增大至48.9gpa，表明锶离子注入提高了纯镁表面的机械性能。
图2为纯镁注入前后的摩擦曲线，a为纯镁，b为锶注入后的纯镁，从图中可以看出，本实施例的锶离子注入纯镁的摩擦系数明显低于纯镁基体，表明经锶注入的纯镁耐磨损性能显著提高，在模拟体液中的腐蚀磨损行为得到明显改善。
图3为试样在模拟体液下的极化曲线，曲线a为纯镁极化曲线，曲线b为锶注入纯镁的极化曲线。从图中可以看出，本实施例的锶离子注入纯镁试样的腐蚀电位由-1.694v正移至-1.582v，腐蚀电流密度为未处理试样腐蚀电流密度的一半，由52.6μa/cm2减小至25.1μa/cm2，在模拟体液中的耐腐蚀性能显著提高。
实施例2
将纯镁试样表面进行打磨并抛光，用丙酮超声清洗15min，无水乙醇超声清洗5min，置于空气中自然干燥后放入离子注入工作腔室；将锶靶材置于丙酮超声清洗10min，无水乙醇超声清洗10min，再对锶靶材采用砂纸进行打磨，然后将清洗打磨后的锶靶材立即放入离子注入阴极，抽真空，通氮气清洗腔室5次，抽真空至4.0×10-4pa，随后打开离子源并预热10min，设置注入剂量为3×1016ions/cm2，打开引出电源，调节引出电压为50kv，引出电流为200μa，进行锶离子注入，注入过程结束后取出试样保存。
纳米压痕测试结果表明经锶注入改性后的纯镁纳米硬度和弹性模量均增大，纯镁硬度由1.18gpa增大至1.43gpa，弹性模量由43.4gpa增大至47.8gpa，。摩擦磨损曲线表明锶离子注入纯镁的摩擦系数明显低于纯镁基体，经锶注入的纯镁耐磨损性能显著提高，在模拟体液中的腐蚀磨损行为得到明显改善。极化曲线结果表明锶离子注入纯镁试样的腐蚀电位由-1.694v正移至-1.553v，腐蚀电流密度由52.6μa/cm2减小至37.8μa/cm2，表明锶离子注入提高了纯镁的耐腐蚀性能。
实施例3
将纯镁试样表面进行打磨并抛光，用丙酮超声清洗5min，无水乙醇超声清洗15min，置于空气中自然干燥后放入离子注入工作腔室；将锶靶材置于丙酮超声清洗15min，无水乙醇超声清洗20min，再对锶靶材采用砂纸进行打磨，然后将清洗打磨后的锶靶材立即放入离子注入阴极，抽真空，通氩气清洗腔室4次，随后打开离子源并预热10min，设置注入剂量为1×1016ions/cm2，打开引出电源，调节引出电压为70kv，引出电流为400μa，进行锶离子注入，注入过程结束后取出试样保存。
纳米压痕测试结果表明经锶注入改性后的纯镁纳米硬度和弹性模量均增大，纯镁硬度由1.18gpa增大至1.36gpa，弹性模量由43.4gpa增大至46.2gpa，表明锶离子注入提高了纯镁表面的机械性能。摩擦磨损曲线表明锶离子注入纯镁的摩擦系数明显低于纯镁基体，耐磨损性能显著提高，在模拟体液中的腐蚀磨损行为得到明显改善。极化曲线结果表明锶离子注入提高了纯镁在模拟体液中的耐腐蚀性能，腐蚀电位由-1.694v正移至-1.504v，腐蚀电流密度由52.6μa/cm2减小至42.9μa/cm2。
实施例4
将纯镁试样表面进行打磨并抛光，用丙酮超声清洗10min，无水乙醇超声清洗15min，置于空气中自然干燥后放入离子注入工作腔室；将锶靶材置于丙酮超声清洗20min，无水乙醇超声清洗10min，再对锶靶材采用砂纸进行打磨，然后将清洗打磨后的锶靶材立即放入离子注入阴极，抽真空，通氮气清洗腔室3次，抽真空至1.0×10-4pa，随后打开离子源并预热10min，设置注入剂量为0.5×1016ions/cm2，打开引出电源，调节引出电压为80kv，引出电流为600μa，进行锶离子注入，注入过程结束后取出试样保存。
与未注入的纯镁相比，经锶注入改性后的纯镁纳米硬度和弹性模量均增大，纯镁硬度由1.18gpa增大至1.27gpa，弹性模量由43.4gpa增大至45.1gpa。摩擦磨损曲线表明锶离子注入纯镁的摩擦系数明显低于纯镁基体，经锶注入的纯镁耐磨损性能提高，在模拟体液中的腐蚀磨损行为得到改善。极化曲线结果表明锶离子注入提高了纯镁的耐腐蚀性能，纯镁试样的腐蚀电位由-1.694v正移至-1.634v，腐蚀电流密度由52.6μa/cm2减小至45.3μa/cm2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。