双金属空心螺钉力-电化学耦合行为分析

李德智 ,  战楠 ,  张晓川 ,  宋振兴

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :12950-12960

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科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (30) :12950-12960 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2508118
论文:医药、卫生

双金属空心螺钉力-电化学耦合行为分析

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Analysis of Mechanical-Electrochemical Coupling Behavior of Bimetallic Hollow Screws

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摘要

为用于治疗垂直型股骨颈骨折(Pauwels Ⅲ型)的新型可降解螺钉损耗防控提供理论依据,系统探讨了双金属螺钉在股骨环境中受到的应力与电偶腐蚀的耦合作用。基于CT数据构建三维股骨模型。对于组装螺钉,提出了3种几何结构,赋予钛/镁合金(titanium/magnesium alloy, Ti/Mg)和钛/锌合金(titanium/zinc alloy, Ti/Zn)两组材料属性以提供不同的力学特性和电化学特征。通过多物理场有限元模型,将不同程度的螺钉电化学腐蚀行为和应力进行耦合分析。研究结果表明:在120 d腐蚀过程中,Ti/Zn组合螺钉缺陷处最高电流密度和最高应力分别为0.063 2 A/m2和35 MPa,相比Ti/Mg组合(缺陷处最高电流密度1.083 A/m2,应力251 MPa)降低94.18%和86.06%;阴极阳极面积比Sc/Sa=0.43时对单一腐蚀和承载的影响较大(Ti/Mg组合中该类型螺钉缺陷处的最高电流密度和最高应力分别为0.377 1 A/m2和184 MPa),其程度显著低于Sc/Sa为3.34和1.11的两种情况;超出材料屈服点的应力集中效应(最高应力251 MPa)与腐蚀相互作用明显加速了材料的退化(对应加速腐蚀厚度53 μm)。可见电偶腐蚀和机械应力的耦合作用显著影响双金属材料的力学性能和耐腐蚀性。通过优化Sc/Sa、金属套筒几何结构和腐蚀电位差等因素,可提高螺钉的耐腐蚀性和力学稳定性。

Abstract

The coupling effect between stress and galvanic corrosion on bimetallic screws in the femoral environment was systematically investigated for the sake of providing a theoretical basis for the wear prevention and control of a novel degradable screw used in the treatment of vertical femoral neck fractures(Pauwels type III). A three-dimensional model of the femoral based on the CT data was created. With respect to the assembled screws, three geometric structures were proposed, and two sets of material properties, namely Ti/Mg (titanium/magnesium alloy) and Ti/Zn (titanium/zinc alloy) were assigned to afford different mechanical and electrochemical characteristics. Through a multi-physics finite element model, the electrochemical corrosion behaviors and stresses of the screws at different degrees were coupled and analyzed. The research results show that, in the 120-day corrosion process, the Ti/Zn composite screw had the maximum current density and maximum stress at the defect of 0.063 2 A/m2 and 35 MPa, respectively, which are 94.18% and 86.06% less than those of the Ti/Mg composite (maximum current density at the defect of 1.083 A/m2 and a stress of 251 MPa). An Sc/Sa of 0.43 had a significant effect on both single corrosion and load-bearing(the maximum current density and maximum stress of this type of screw in the Ti/Mg composite were 0.377 1 A/m2 and 184 MPa, respectively), lower than that for Sc/Sa values of 3.34 and 1.11, by a significant margin. The stress concentration effect is higher than the yield point of the material (maximum stress of 251 MPa), through an interaction with corrosion, had a remarkable effect on which the material degradation was strongly accelerated(corresponding to an accelerated corrosion thickness of 53 μm). The coupling effect of galvanic corrosion and mechanical stress on the mechanical properties and corrosion resistance of bimetallic materials has a great influence. Optimizing factors such as the geometric structure of the Sc/Sa metal sleeve and the corrosion potential difference can improve the corrosion resistance and mechanical stability of the screw.

Graphical abstract

关键词

双金属螺钉 / 股骨颈骨折 / 应力-腐蚀耦合 / 有限元分析 / Ti/Mg / Ti/Zn

Key words

bimetallic screws / femoral neck fractures / mechanical-electrochemical coupling / finite element analysis / Ti/Mg / Ti/Zn

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李德智, 战楠, 张晓川, 宋振兴. 双金属空心螺钉力-电化学耦合行为分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(30): 12950-12960 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508118
LI De-zhi, ZHAN Nan, ZHANG Xiao-chuan, SONG Zhen-xing. Analysis of Mechanical-Electrochemical Coupling Behavior of Bimetallic Hollow Screws[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(30): 12950-12960 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508118

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对于年轻患者的垂直型股骨颈骨折(Pauwels Ⅲ型),常见的一种治疗方式是使用三根平行的空心加压螺钉以倒三角的配置固定骨折块[1]。大多数传统的空心螺钉都是由不可降解的不锈钢或钛(Ti)制成。这些金属植入物的刚性和生物惰性会影响骨折愈合和随后的骨重塑[2-3]。对此,研究人员将可降解金属与之结合以弥补这些缺点。Yu等[4]通过PBF-LB技术制备的Ti/Zn双金属骨植入体,兼具抗菌性和优化的应力传递机制,显著提升机械性能。Giarmatzis等[5]采用有限元分析证实,Ti/Mg混合结构螺钉在应力分布、位移控制和刚度等力学指标上均优于传统设计。
实际上,具有不同腐蚀电位的金属在体液中接触会产生电偶腐蚀,这会使比较活跃的镁(Mg)合金或锌(Zn)合金腐蚀损耗加剧,可能过早地丧失机械性能[4,6-7]。Hou等[8]分析了植入大鼠体内Mg合金螺钉和Ti合金螺钉之间的电偶腐蚀现象,通过调节螺钉之间的距离发现了Mg合金腐蚀速率的下降。Ammar等[9]通过真空感应熔炼开发了一种Zn/Ti二元合金,通过腐蚀测试发现,随着Ti含量的降低,该合金的腐蚀电位变得更正,阳极活性逐渐降低。然而,关于这些电化学特征对双金属螺钉在股骨内电偶腐蚀损耗影响的量化分析,文献中鲜有报道。
另外,研究表明,金属材料在使用过程中所承受的机械应力与其腐蚀行为之间存在显著的交互作用:应力场不仅会改变材料的电化学活性,同时,腐蚀介质的侵入又会进一步削弱材料的力学性能。这种应力-腐蚀协同效应已成为工程失效的重要诱因[10-11]。为此,现开发一个力-电化学多物理场有限元模型,以研究治疗Pauwels Ⅲ型的Ti/Mg和Ti/Zn混合空心螺钉在股骨内的应力-腐蚀协同效应;对不同力学和电化学特征的混合空心螺钉,在耦合情况下的应力和腐蚀行为进行对比分析,为损耗防控提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 股骨模型建立和螺钉几何设计

招募一名健康男性志愿者(身高:180 cm,体重:80 kg)。该志愿者无骨疾病史,X射线检查表明骨型与骨质均无异常。受试者确认自愿参加项目检测并签署知情同意书。

收集志愿者整个下肢的计算机断层扫描(computed tomography,CT)图像,使用Mimics 21(Materialise公司,比利时)和Geomagic Wrap 2017(Geomagic公司,美国)创建股骨的三维模型。

螺钉几何建模参照Giarmatzis等[5]提出的双金属螺钉,为了充分讨论不同电化学特征对电偶腐蚀的影响,作出以下改进(图1)。首先,将嵌入的金属块改为金属套筒(该结构为Mg或Zn合金,用橙色表示);其次,将原先空心螺钉(螺钉主体为Ti合金,用蓝色表示)中间位置结合金属的长度依次增加,厚度依次减小,设计3种结构。同时赋予两组材料属性。所讨论的双金属螺钉具有3种不同的阴极阳极面积比,即与腐蚀溶液接触的螺钉Ti合金表面与Mg合金、Zn合金表面的面积比Sc/Sa),分别为3.34、1.11、0.43。

1.2 有限元分析模拟

1.2.1 模型建立和研究参数

在Solid Works 2020(Dassault Systemes,美国)中,使用等距法构建了股骨皮质骨和松质骨以创建股骨近端模型(未进行骨折处理)。由于模型中Mg合金和Zn合金发生腐蚀,因此金属套筒的外表面向内移动,在两金属接触点向内引入了0.1 mm的小台阶,以确保在仿真过程中保留几何拓扑结构。将单根螺钉沿着股骨颈轴线植入,位于股骨颈的中心位置;轴线是在MATLAB(MathWorks公司,美国)中自动计算得出[12]。如图2所示,将上述的每一种螺钉单独与股骨组装,共创建了6个模型。

将组装模型导入COMSOL 6.2(COMSOL AB公司,瑞典)中创建有限元模型,通过多物理场进行分析。对于模型整体采用固体力学物理场进行分析:股骨和螺钉的Ti合金区域采用线弹性分析;对股骨远端采用固定约束[13];模型载荷取自跑步活动下的数值(700%体重)[5],沿着股骨轴均匀施加在股骨头上方。同时,设定各个几何体之间的连接关系为联合。这一部分是为了给螺钉提供一个近似于治疗骨折情况下的弯曲应力。

如图2所示,对于松质骨以及双金属螺钉,采用电化学腐蚀物理场进行分析。设定松质骨为电解液区域,双金属螺钉为腐蚀电极。溶液的边界条件是电绝缘的(除溶液/金属界面被设定为自由边界外),螺钉尾部设定为电接地。

几何模型中金属套筒及外侧0.1 mm股骨域通过扫掠构建规范化网格,螺钉和股骨剩余部分采用自由四面体网格进行划分,两种网格采用金字塔网格过渡:20、40、60 mm金属套筒采用线性对称分布,单元数为150、225、300,单元大小比为10;金属套筒、螺钉剩余部分和股骨的最大网格大小分别为0.007、0.007、0.2 mm,最小网格大小为0.000 5、0.000 5、0.005 mm,单元增长率分别为1.4、1.4、1.7,这里以金属套筒长为20 mm的模型进行示例,如图3所示。3种模型具体划分的网格数量如表1所示。

本次仿真所取的股骨、Ti合金、Mg合金及Zn合金分别来自文献[14-17]。力学参数包括泊松比(ν)和弹性模量(E),具体数值如表2所示。电化学参数通过拟合Lu等[15]的实验曲线得到,包括反应的标准平衡电位(Eeq)、交换电流密度(i0)、塔菲尔斜率(b)。使用模拟体液(simulated body fluid,SBF)来代表松质骨内的电解环境,其电导率为1.4 S/m,温度为37 ℃。具体数值如表3所示。

有限元模拟包含3个方面:股骨与Ti合金螺钉的线弹性应力以及金属套筒的弹塑性应力模拟;溶液的电压和双金属表面电流密度模拟;力-电化学耦合效应。

1.3 金属套筒的机械应力有限元分析模拟

在固体力学物理场中,对金属套筒弹塑性应力仿真选择了各向同性硬化模型,硬化函数定义为[18]

$\mathit{\sigma }{\mathrm{ }}_{\mathrm{y}\mathrm{h}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{d}}={\mathit{\sigma }}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}{\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}-{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{y}\mathrm{s}}={\mathit{\sigma }}_{\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}}\left({\mathit{\epsilon }}_{\mathrm{p}}+\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{e}}}{\mathit{E}}\right)-\mathit{\sigma }{\mathrm{ }}_{\mathrm{y}\mathrm{s}}$

式(1)中:σ yhard为材料的硬化函数;σ exp为从Mg合金和Zn合金的实测应力应变曲线推导出的应力函数[16-17];Eeff为总应变;σys为材料的屈服应力(Mg合金为168 MPa,Zn合金为101 MPa);Ep为塑性应变;σe为von Mises应力。

1.4 双金属螺钉的电偶腐蚀有限元模拟

在近中性(pH=7.4)模拟体液(SBF)中,Mg合金或Zn合金与Ti合金组合时:主要的氧化反应为Mg合金或Zn合金的溶解[19-20];主要的还原反应是Ti合金表面的吸氧反应[21]。具体的反应式为

Mg→Mg2++2e-
Zn→Zn2++2e-
O2+2H2O+4e-=4OH-

对于各个反应的电流密度,本次模拟采用Tafel方程进行求解,具体方程式为

${\mathit{i}}_{\mathrm{a}}={10}^{\frac{{\mathit{\eta }}_{\mathrm{a}}}{{\mathit{b}}_{\mathrm{a}}}}{\mathit{i}}_{0,\mathrm{a}}$
${\mathit{i}}_{\mathrm{c}}={10}^{\frac{{\mathit{\eta }}_{\mathrm{c}}}{{\mathit{b}}_{\mathrm{c}}}}{\mathit{i}}_{0,\mathrm{c}}$

式中:i0,a和i0,c分别为阳极和阴极的交换电流密度;ba和bc分别为阳极和阴极的塔菲尔斜率。

阳极和阴极反应的过电位ηa和ηc的计算式为

${\mathit{\eta }}_{\mathrm{a}}={\mathit{\varphi }}_{\mathrm{s}}-{\mathit{\varphi }}_{\mathrm{l}}-{\mathit{E}}_{\mathrm{e}\mathrm{q},\mathrm{a}}$
${\mathit{\eta }}_{\mathrm{c}}={\mathit{E}}_{\mathrm{e}\mathrm{q},\mathrm{c}}-{\mathit{\varphi }}_{\mathrm{s}}+{\mathit{\varphi }}_{\mathrm{l}}$

式中:${\mathit{\varphi }}_{\mathrm{s}}$为电极电势;${\mathit{\varphi }}_{1}$为电解质电势;Eeq,a和Eeq,c分别为阳极和阴极反应的平衡电位。

1.5 金属套筒的溶解速率模拟分析

采用变形几何物理场对金属套筒的溶解过程进行建模。溶解导致电极边界移动,其法向移动速度v的计算公式[22]为

$\mathit{v}=\frac{{\mathit{i}}_{\mathrm{a}}\mathit{M}}{2\mathit{F}\mathit{\rho }}$

式(9)中:ia为阳极电流密度;M为材料的摩尔质量(Mg合金约为24.93 g/mol,Zn合金约为65.38 g/mol);F为法拉第常数;ρ为材料密度(Mg合金约为1 760 kg/m3,Zn合金约为7 140 kg/m3)。

1.6 应力加速腐蚀效应模型

1.6.1 阳极反应

Gutman[23]总结提出了材料弹性变形和塑性变形对阳极电化学参数的影响,具体关系如下。

弹性变形时,有

$\mathrm{\Delta }{\mathit{E}}_{\mathrm{e}}=-\frac{\mathrm{\Delta }{\mathit{P}}_{\mathrm{m}}{\mathit{V}}_{\mathrm{m}}}{\mathit{z}\mathit{F}}$

式(10)中:ΔEe为弹性变形引起的电极电位变化量;ΔPm为平均应力的变化量;Vm为金属的摩尔体积;z为电极反应的电荷数。

塑性变形时,有

$\mathrm{\Delta }{\mathit{E}}_{\mathrm{p}}=-\frac{\mathit{R}\mathit{T}}{\mathit{z}\mathit{F}}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(1+\frac{\mathit{\epsilon }}{{\mathit{\epsilon }}_{0}}\right)$

式(11)中:ΔEp为塑性变形引起的电极电位变化量;R为理想气体常数;T为绝对温度;ε为塑性应变;ε0为参考应变。

当材料发生弹塑性变形时,两方面的影响进行叠加,公式为

$\mathrm{\Delta }\mathit{E}=-\frac{\mathrm{\Delta }{\mathit{P}}_{\mathrm{m}}{\mathit{V}}_{\mathrm{m}}}{\mathit{z}\mathit{F}}-\frac{\mathit{R}\mathit{T}}{\mathit{z}\mathit{F}}\mathrm{l}\mathrm{n}\left(1+\frac{\mathit{\epsilon }}{{\mathit{\epsilon }}_{0}}\right)$

式(12)中:ΔEe和ΔEp分别为弹性变形和塑性变形引起的平衡电位变化;ΔPm为引起弹性变形的超压,取σys/3;Vm为材料的摩尔体积(Mg合金约为1.416×10-5 m3/mol,Zn合金约为9.15×10-6 m3/mol);z为电荷数;R为理想气体常数;ε为材料应变;ε0为初始塑性应变(Mg合金为0.006 32,Zn合金为0.003 1)。

1.6.2 阴极反应

Cheng等[24]通过大量的实验和仿真推导出了由应力对阴极交换电流密度i0,c的影响,具体关系式为

${\mathit{i}}_{0,\mathrm{c}}={\mathit{i}}_{0,\mathrm{c},\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{f}}\times {10}^{\frac{{\mathit{\sigma }}_{\mathrm{e}}{\mathit{V}}_{\mathrm{m}}}{6\mathit{F}(-{\mathit{b}}_{\mathrm{c}})}}$

式(13)中:i0,c,ref为没有外部应力/应变的情况下阴极反应的参考交换电流密度;σe为施加应力;bc为阴极Tafel斜率。

2 结果分析

2.1 双金属螺钉无应力状态下电偶腐蚀模拟

2.1.1 电压

对Ti/Mg和Ti/Zn两种组合几何模型(其中各包含3种Sc/Sa)的电压进行了分析比较(图4)发现:在Ti/Mg组合中,当Sc/Sa=3.34时,靠近阳极表面的电解质域电位较高,最高值在中间区域(1.276 8 V),两侧的值为1.275 6 V,相比最高值降低了0.001 2 V,如图4(a)所示;当增加阳极表面积时,最高值区域向阳极右侧偏移,并且数值为1.319 2 V(上升0.042 4 V),左侧值为1.315 3 V,相比右侧下降幅度较为明显,为0.003 9 V,如图4(c)所示;当Sc/Sa降低为0.43时,最高值区域占据了阳极右侧,并且数值持续上升为1.361 V。只有左侧值下降了0.009 4 V,为1.351 6 V,如图4(e)所示。Ti/Zn组合的电压分布趋势相似但数值更低,最大值依次为1.128 5、1.153 3 、1.176 V,阳极边缘附近的电压值为1.128 4、1.153、1.175 4 V。

2.1.2 电极电流密度

在腐蚀初期,当Sc/Sa=3.34时,阳极表面的局部电流密度较高,最高值在两侧边缘处,Ti/Mg为0.655 2 A/m2,且表面的电流密度值从边缘到中间降低了0.008 1 A/m2。相比之下,两组中Zn合金的电化学活性较低,最高电流密度值为0.062 6 A/m2,数值下降趋势不太明显,如图5(a)和图5(b)所示。当阳极表面积增加时,最高电流密度出现在阳极左侧边缘处,Ti/Mg为0.452 5 A/m2(降低0.202 7 A/m2),Ti/Zn为0.033 1 A/m2(降低0.029 5 A/m2)。另外,Mg合金左侧区域的电流密度阶梯式分布相对比较明显,电流密度值从边缘到右侧区域降低了0.016 A/m2,如图5(c)和图5(d)所示。当Sc/Sa降低为0.43时,最高电流密度值持续降低。

Ti/Mg为0.323 A/m2(降低0.129 5 A/m2),Ti/Zn为0.018 5 A/m2(降低0.014 6 A/m2)。另外,Ti/Mg阳极右侧的电流分布非常均匀,只有左侧区域呈阶梯式分布,电流密度值从边缘到最右侧降低了0.025 2 A/m2,如图5(e)和图5(f)所示。

2.2 双金属螺钉股骨承载条件下的应力

在相同股骨承载条件下,对不同尺寸结构和材料属性螺钉的受力情况进行了分析比较。结果表明,6种螺钉中间弯曲处的应力较大。以Ti/Mg组合中结合金属套筒长度为20 mm的螺钉为例,对具体应力分布情况进行示例,如图6所示。关于数值变化,在腐蚀初期,随着结合金属套筒的长度从20 mm增加到60 mm、厚度从0.7 mm降低到0.5 mm,Ti/Mg双金属螺钉套筒中间处的应力值由18.7 MPa降低为15 MPa;Ti/Zn组合的局部刚度较高(Zn合金为80 GPa,Mg合金为42 GPa),其套筒中间处的应力值从29.3 MPa降到了26.1 MPa,如图7所示。这里以不同结合金属的长度和厚度代表每一种螺钉。

2.3 双金属螺钉产生的电偶腐蚀损耗和应力之间的相互影响模拟

2.3.1 腐蚀对应力的影响

在相同承载条件下,经过120 d腐蚀后,每种螺钉的金属套筒都由于边缘过大的材料腐蚀消耗,使对应区域产生了不同程度的应力集中效应。以Ti/Mg组合中Sc/Sa=3.34的螺钉为例,对具体情况进行示例,如图8所示。关于腐蚀对应力的具体影响:当Sc/Sa从3.34降为0.43时,Ti/Mg组合所产生的最大腐蚀厚度从643 μm降到了268 μm,因此导致金属套筒边缘最大应力值从251 MPa降到了184 MPa。然而,这些应力均超过了Mg合金的屈服应力(168 MPa),从而引发了不同程度的塑性变形。相比之下,Ti/Zn组合表现出了更好的耐腐蚀性。它的最大腐蚀厚度从31.2 μm降到了9.16 μm,所导致的边缘应力值从35 MPa降到了26.1 MPa,均处于弹性范围内,如图9所示。

2.3.2 电极表面的应力变化对腐蚀电流密度的影响

在经历了120 d腐蚀消耗后,每一种螺钉都产生了从几十到几百微米不等的腐蚀深度。如图10所示,其电流密度的总体分布与腐蚀初期情况相似,只是在最大值上有一个小的提升(Mg合金最大值分别为1.083、0.587 9 、0.377 1 A/m2,Zn合金最大值为0.063 2、0.033 2、0.018 6 A/m2)。另外,对照上述应力集中现象,Mg合金表面对应区域都产生了比较明显的局部电流密度差异。显然这是由材料表面塑性变形所造成的。3种Mg合金套筒腐蚀过后所产生的最大应力分别超出该材料的屈服应力83、42、16 MPa,对应的这些区域的电流密度差值(阳极左侧边缘处电流密度差值)发生明显变化,从0.364 8 A/m2降到了0.040 1 A/m2。相比于第一组,由于Ti/Zn组合3种螺钉表面均未产生塑性变形,因此在阳极边缘处未观察到明显的电流密度差值,如图11所示。

由于本次模拟所采用的材料腐蚀速率公式主要与阳极电流密度相关,因此腐蚀厚度所呈现的分布情况与电流密度基本相同,但由于不同的数值范围,腐蚀厚度呈现出更明显的梯度式分布特征,如图12所示,对照局部电流密度差异,Ti/Mg组合3种螺钉的最大腐蚀厚度分别为53、10、3 μm,是由不同程度的材料塑性变形造成的。另外,随着阳极与阴极距离的增加,Ti/Mg组合的最大值分别降低了7、14、22 μm,如图12所示。相比之下,Ti/Zn组合在相同腐蚀情况下具有更好的力学稳定性,未造成明显的腐蚀影响,如图13所示。

3 讨论

原三螺钉倒三角组合被简化为单螺钉模型,且忽略了骨折界面及骨钉间的摩擦效应。这一处理是因为电偶腐蚀行为主要取决于金属材料、电位差及几何结构,而非螺钉数量与骨折界面的具体细节。尽管摩擦因素对整体力学表现有一定影响,但这种影响较为间接;此外,在本研究的多物理场耦合分析框架下,过多考虑这些因素会显著增加计算复杂性,进而影响对力-电化学耦合效应的精准分析。

量化分析了不同Sc/Sa、材料组合及电极间距对双金属螺钉电偶腐蚀行为的影响。从电偶腐蚀混合电位理论可知,在稳定状态下阴极总还原电流必等于阳极总氧化电流。随着Sc/Sa从3.34降至0.43,阴极面积的减少导致对应的阴极总电流降低,因此阳极整体电流密度随之降低,这解释了阳极表面最大腐蚀电流密度明显下降的原因。此外,Ti/Mg与Ti/Zn组合的电位差不同,电位差越大,驱动腐蚀反应的混合电位越高,腐蚀速率相应提升,这与Ti/Mg组合整体腐蚀更严重的结果一致。另外,通过增加阴阳极之间的距离可显著延长电解质溶液中离子迁移路径,降低电流密度,从而有效缓解电偶腐蚀速率和不均匀性。

由于股骨是完整的并且采用了相同的力学边界条件,每一种尺寸结构的双金属螺钉处于相同的承载条件中,通过调节金属套筒的厚度和长度以及弹性模量为分析对比提供了不同的应力值。

对于Ti/Mg组合,在经过了120 d的腐蚀后,3种螺钉出现了明显的塑性变形,其中Sc/Sa=3.34的螺钉变化最为明显。这是由于在电偶腐蚀过程中,阳极表面存在着明显的腐蚀梯度,使弯曲状态下的骨钉表面不规则变化,从而产生了明显的应力集中现象。与此同时,这也导致了最大腐蚀深度附近区域产生了明显的电流密度差值。

4 结论

医用双金属空心螺钉的设计目的是改善其力学性能和生物相容性。构建了多物理场有限元模型,从力-电化学耦合的角度出发,对不同特征螺钉植入股骨后的力学稳定性和耐腐蚀性进行深入分析,得出以下结论。

(1)双金属螺钉的腐蚀电位差和可降解金属的弹性模量对其腐蚀剧烈程度和应力响应影响显著。在120 d腐蚀过程中,Ti/Zn组合螺钉缺陷处最高电流密度和最高应力分别为0.063 2 A/m2和35 MPa,相比Ti/Mg组合(缺陷处最高电流密度1.083 A/m2,应力251 MPa)降低94.18%和86.06%。同时,阴极和阳极之间的距离也会引起电流密度的变化。因此,通过选材降低电位差与弹性模量,并合理布置位置、设计结构,可以有效降低电偶腐蚀风险,减少结构应力。

(2)超出材料屈服点的应力集中效应(最高应力251 MPa)与腐蚀相互作用明显加速了材料的退化(对应加速腐蚀厚度53 μm)。可见电偶腐蚀和机械应力的耦合作用显著影响双金属材料的力学性能和耐腐蚀性。在实际双金属植入物设计过程中,应综合考虑其机械性能和电化学腐蚀行为之间的影响,避免在腐蚀过程中出现塑性变形。

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基金资助

国家自然科学基金(12502218)

天津市自然科学基金(23JCZDJC00220)

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