一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，其裝置部分包括底座系統(tǒng)、電解池系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)；其采用杠桿調(diào)節(jié)裝置、電解槽底板調(diào)平螺栓、千分表調(diào)節(jié)支架、蠕動(dòng)泵等一系列技術(shù)手段，以獲得100μm以下的不同厚度的薄液膜條件，并通過在電解池內(nèi)部的形成有多孔結(jié)構(gòu)的絕緣柱體內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)，可以避免長(zhǎng)時(shí)間浸泡實(shí)驗(yàn)中鎂合金腐蝕產(chǎn)生的氫氣對(duì)薄液膜厚度的影響，保證薄液膜厚度均一、穩(wěn)定，從而仿真性模擬人體內(nèi)部微環(huán)境下，鎂/鎂合金腐蝕的真實(shí)情況；其具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，可滿足全面研究鎂合金的腐蝕電化學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)需要；其實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確。
【專利說明】一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，尤其涉及一種鎂合金 表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法，屬于電化學(xué)領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 生物醫(yī)用材料包括醫(yī)療上能夠植入生物體或能夠與生物組織相結(jié)合的材料，主要 用于治療或替換生物機(jī)體中原有的組織和器官，以修正、補(bǔ)償或提高其功能。
[0003] 在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域內(nèi)，生物可降解的醫(yī)用材料得到了大力開發(fā)，被廣泛應(yīng)用于人體 組織工程材料、體內(nèi)縫合線、外科用正骨材料等，有著良好的應(yīng)用前景。
[0004] 生物醫(yī)用金屬材料要求具有以下性能，包括：良好的組織相容性，無毒性，不致畸 致癌，不引起過敏反應(yīng)和干擾機(jī)體的免疫，不破壞臨近組織等；物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，強(qiáng)度、彈 性、尺寸、耐腐蝕及耐磨性穩(wěn)定；易于加工成型，能容易制成各種需要的形狀。
[0005] 目前臨床應(yīng)用的骨科內(nèi)植入材料中，不銹鋼及鈦合金以良好的生物相容性、耐蝕 性能和力學(xué)性能成為應(yīng)用廣泛的材料。但是不銹鋼和鈦合金等現(xiàn)有金屬植入材料中存在一 個(gè)普遍問題是與生物骨的力學(xué)相容性差。不銹鋼、鈦合金等的抗拉強(qiáng)度比天然骨高5倍以 上，彈性模量更是高10倍以上。這樣的材料植入人體后可對(duì)局部骨組織產(chǎn)生很大的"應(yīng)力 遮擋"效應(yīng)。由于基體骨所受應(yīng)力刺激下降，骨改建出現(xiàn)負(fù)平衡，導(dǎo)致骨吸收增加，骨形成減 少，誘發(fā)遮擋性骨質(zhì)缺失。通常，植入材料與生物組織力學(xué)相容性差在醫(yī)學(xué)上會(huì)導(dǎo)致三種嚴(yán) 重的后果：
[0006] (1)、植入材料周圍的原有生物骨脆弱化；
[0007] (2)、植入材料周圍的新生骨生長(zhǎng)不良；
[0008] (3)、植入材料與生物骨間的界面出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而引起炎癥。
[0009] 由此可見，植入材料的彈性模量和生物骨不能存在太大差異，研制力學(xué)與生物相 容性更理想的骨科內(nèi)植物材料是解決當(dāng)前植入材料所存在問題的根本出路。同時(shí)不銹鋼、 鈦合金接骨板、骨釘?shù)戎踩塍w在骨組織痊愈后需通過再次手術(shù)取出，增加了患者的痛苦及 醫(yī)療費(fèi)用負(fù)擔(dān)。此外，目前臨床應(yīng)用的血管支架主要以不銹鋼和鎳鈦合金為主。這些血管 支架除了存在鎳離子溶出可能引起毒副作用外，還存在血管再狹窄和血栓、血管內(nèi)膜增生、 出現(xiàn)意外時(shí)無法進(jìn)行血管再造術(shù)等弊端。
[0010] 研究和開發(fā)高強(qiáng)韌且可以在生物體內(nèi)降解的醫(yī)用材料成為上述領(lǐng)域（骨科內(nèi)植 物、血管內(nèi)支架）的重要發(fā)展方向。鎂是目前所有金屬材料中生物力學(xué)性能與人體骨最接 近的金屬材料。鎂合金的彈性約為45GPa，比目前廣泛應(yīng)用的生物材料鈦合金（lOOGPa)更 接近人骨的彈性模量（20GPa)，能有效降低"應(yīng)力遮擋效應(yīng)"，促進(jìn)骨的愈合。同時(shí)鎂合金具 有較高的屈服強(qiáng)度，可以承受較大的載荷，應(yīng)用于骨組織承載部位、也可以應(yīng)用于血管內(nèi)支 架，起到支撐血管的作用。鎂是人體內(nèi)重要的營(yíng)養(yǎng)元素之一，是人體內(nèi)第4位金屬元素、細(xì) 胞內(nèi)僅次于K+的第2位的陽離子。
[0011] 它催化或激活機(jī)體325種酶系，參與體內(nèi)所有能量代謝。對(duì)肌肉收縮、神經(jīng)運(yùn)動(dòng)機(jī) 能、生理機(jī)能及預(yù)防循環(huán)系統(tǒng)疾病和缺血性心臟病有重要作用。世界衛(wèi)生組織建議成人每 天需要攝鎂量為280-300mg，少年兒童為250mg，嬰幼兒80mg。
[0012] 鎂的排泄主要通過泌尿系統(tǒng)，鎂在人體內(nèi)吸收不會(huì)導(dǎo)致血清鎂含量的明顯升高。 因此，采用高強(qiáng)韌鎂合金作為醫(yī)用可降解生物材料具有良好的醫(yī)學(xué)安全性基礎(chǔ)，尤其適用 于骨科內(nèi)植物材料和血管內(nèi)支架材料。
[0013] 然而，鎂合金的耐蝕性能差，在氯離子存在的腐蝕環(huán)境中或者當(dāng)介質(zhì)的pH值小于 11. 5時(shí)，其腐蝕尤其嚴(yán)重。作為生物植入材料，鎂合金必須在服役期間嚴(yán)格滿足必要的力學(xué) 與形態(tài)學(xué)要求，因此其腐蝕降解速率不宜過快。人體內(nèi)環(huán)境的正常pH值在7. 4左右，而且 體液中存在大量的氯離子，加之人體內(nèi)是一個(gè)復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，這些都會(huì)造成鎂合金在人 體內(nèi)的腐蝕速率變化。目前可降解醫(yī)用植入鎂合金領(lǐng)域的研究主要集中在開發(fā)耐蝕性好且 力學(xué)性能特別是塑性變形能力強(qiáng)的合金，而這兩點(diǎn)很難同時(shí)滿足。目前進(jìn)入臨床應(yīng)用的鎂 合金骨科內(nèi)植入材料存在強(qiáng)度低、降解過快的問題；而作為心血管支架的鎂合金存在塑性 變形能力不夠、降解過快的問題。此外，目前研究的醫(yī)用鎂合金大多都含有A1元素，該元素 不屬于人體的必需微量元素，被認(rèn)為具有神經(jīng)毒性，是導(dǎo)致早老性癡呆的因素，含A1的鎂 合金在人體內(nèi)耐受極限僅為lg/year。
[0014] 鎂及鎂合金因其良好的生物相容性和骨誘導(dǎo)性是一種有前途的生物材料。生物 醫(yī)用鎂合金植入體內(nèi)后會(huì)緩慢降解，可以避免二次手術(shù)取出植入體帶來的痛苦和高昂的費(fèi) 用。鎂合金臨床應(yīng)用的主要障礙是其低耐腐蝕性能，目前這一問題可以通過合金化和表面 處理技術(shù)來降低鎂合金的腐蝕速率延長(zhǎng)服役期限。
[0015] 但是，有關(guān)鎂合金腐蝕速率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在模擬體 液中的浸泡實(shí)驗(yàn)與在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在較大偏差，；電化學(xué)測(cè)試結(jié)果又由于鎂合金 特有的負(fù)差數(shù)效應(yīng)而使得根據(jù)擬合結(jié)果計(jì)算出的腐蝕速率與實(shí)測(cè)結(jié)果偏差較大；在體動(dòng)物 實(shí)驗(yàn)又面臨著實(shí)驗(yàn)成本高昂，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，結(jié)果不便于量化的難題。
[0016] 因此，體外模擬在體實(shí)驗(yàn)成為鎂合金腐蝕研究領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。
[0017] 在實(shí)際服役條件下，鎂合金并不是浸泡在體液中，而是與人體結(jié)締組織、毛細(xì)血管 和骨組織等形成一個(gè)微環(huán)境，這一微環(huán)境可以近似為一個(gè)薄液膜模型。
[0018] 中國專利申請(qǐng)CN103293094A公開了一種可定量改變薄液膜厚度的模擬試驗(yàn)裝置 及其使用方法，其模擬試驗(yàn)裝置由腐蝕氣氛形成系統(tǒng)，液膜厚度變化控制系統(tǒng)以及電化學(xué) 測(cè)試系統(tǒng)三部分構(gòu)成。腐蝕氣氛形成系統(tǒng)包括腐蝕氣體發(fā)生器，氣氛箱，進(jìn)氣管，出氣管以 及回收池；液膜厚度變化控制系統(tǒng)包括調(diào)平螺栓，蠕動(dòng)泵，軟管，數(shù)控裝置以及信號(hào)線；電 化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)置于氣氛箱內(nèi)，包括電解池，樣品臺(tái)，電化學(xué)試樣，電極導(dǎo)線，支架。
[0019] 可定量改變液膜厚度的電化學(xué)測(cè)量裝置。在準(zhǔn)確、易于操作的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)變 化過程的定時(shí)定量控制?？蛇M(jìn)行原位電化學(xué)極化曲線、交流阻抗測(cè)量。
[0020] 據(jù)稱，上述技術(shù)方案可以對(duì)不同腐蝕氣氛環(huán)境下的模擬實(shí)驗(yàn)；三電極系統(tǒng)封裝在 一起，可以有效的降低溶液電阻，并且能夠?qū)崿F(xiàn)薄液下極化曲線、交流阻抗等電化學(xué)測(cè)試。 采用蠕動(dòng)泵和外部數(shù)控裝置對(duì)液膜厚度實(shí)現(xiàn)定量的控制，可以以一定的周期、速率改變液 膜厚度，實(shí)現(xiàn)對(duì)變化過程的電化學(xué)研究。
[0021] 中國專利申請(qǐng)CN103267488A公開了一種測(cè)試波液膜厚度的裝置，其利用激光可 透過液體和空氣但不能透過固體的原理，將激光發(fā)射器和接收器構(gòu)成回路，并連接電流 表。通過激光接收器將接收到的光信號(hào)的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。激光先照射到固體試樣，電 流表示數(shù)為0 ;下移載物臺(tái)的高度，到電流表有示數(shù)時(shí)，載物臺(tái)上螺旋測(cè)微器的刻度為L(zhǎng)1。 保持載物臺(tái)高度不變，生成液滴，電流表示數(shù)再次變?yōu)椹?下移載物臺(tái)高度，當(dāng)電流表再次出 現(xiàn)示數(shù)時(shí)，載物臺(tái)上螺旋測(cè)微器刻度為L(zhǎng)2。薄液膜高度為（L2-L1)。
[0022] 上述技術(shù)方案據(jù)稱可進(jìn)行10 μ m-999 μ m薄液膜厚度的測(cè)量，可用于測(cè)量金屬材 料在薄液膜下的電化學(xué)行為。
[0023] 但是，這種測(cè)試波液膜厚度的裝置，一方面，裝置組成及結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備投資較大； 另一方面，其適用范圍主要針對(duì)金屬在大氣中腐蝕速率有關(guān)的研究，不適于體內(nèi)環(huán)境下鎂 合金腐蝕速率的模擬研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0024] 本發(fā)明的目的之一是，提供一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊合理，實(shí)驗(yàn)操作過程中調(diào)節(jié)操 作簡(jiǎn)便，并可仿真模擬人體內(nèi)部微環(huán)境下鎂/鎂合金腐蝕的真實(shí)情況的鎂合金表面薄液膜 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。
[0025] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn) 裝置，其特征在于，包括底座系統(tǒng)，電解池系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)；
[0026] 所述底座系統(tǒng)包括剛性框架和套筒；所述剛性框架整體呈前后左右四面敞開、上 下封閉的六面體形狀，其頂板中心部開設(shè)有通孔，所述套筒的下部插入所述通孔內(nèi)并部分 穿過所述頂板；
[0027] 所述電解池系統(tǒng)設(shè)置在所述剛性框架的內(nèi)部空腔的中央；
[0028] 所述電解池系統(tǒng)包括電解液槽和工作電極；
[0029] 所述工作電極為鎂/鎂合金電極；
[0030] 所述電解液槽的左、右兩側(cè)壁上分別設(shè)置有進(jìn)液管口和出液管口，所述出液管口 的位置高于所述進(jìn)液管口；
[0031] 所述電解液槽內(nèi)部的底板中心處設(shè)置有一圓柱形的樣品臺(tái)，所述樣品臺(tái)的上部設(shè) 置有一插槽，所述工作電極插入所述插槽；
[0032] 所述電解液槽外部的底板四個(gè)頂角處還分別設(shè)置有調(diào)平螺栓，所述調(diào)平螺栓用于 調(diào)整電解液槽的水平；
[0033] 所述測(cè)量控制系統(tǒng)包括絕緣柱體；
[0034] 所述絕緣柱體為圓柱體，其自上向下穿過所述套筒深入到所述樣品臺(tái)的上表面上 方；
[0035] 所述絕緣柱體以其底面圓心為圓心沿軸向開設(shè)有不透孔；所述不透孔由內(nèi)向外依 次由多孔陶瓷板覆蓋，再由一層聚四氟乙烯制成的疏水隔膜包覆封住，形成一個(gè)絕緣柱體 內(nèi)部空腔；
[0036] 在用疏水隔膜進(jìn)行包裹之前，先用洗耳球抽吸出上述空腔內(nèi)的空氣，以使絕緣柱 體內(nèi)部空腔內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)；
[0037] 所述樣品臺(tái)頂部套裝有一圓環(huán)狀對(duì)電極；
[0038] 所述電解槽內(nèi)還設(shè)置有一參比電極，所述參比電極的下端部自上而下穿過所述剛 性框架的頂板，伸入到電解槽內(nèi)；
[0039] 所述絕緣柱體在所述套筒的上方位置處還設(shè)置有一環(huán)形槽；
[0040] 所述絕緣柱體的頂部還設(shè)置有一千分表，所述千分表的探測(cè)端位于所述絕緣柱體 的頂部表面上方，所述千分表的調(diào)節(jié)支架固定在所述剛性框架的頂板上；
[0041] 所述剛性框架頂板上還設(shè)置有一用于調(diào)節(jié)所述絕緣柱體在堅(jiān)直方向上位移的杠 桿調(diào)節(jié)裝置；
[0042] 所述杠桿調(diào)節(jié)裝置包括左、右兩個(gè)螺桿支柱和一調(diào)節(jié)桿；其中，左螺桿支柱固定在 所述套筒的上表面上，右螺桿支柱固定在所述剛性框架的頂板上，所述調(diào)節(jié)桿上開設(shè)有第 一通孔和第二通孔，并通過所述第一通孔和第二通孔從右至左分別與所述右螺桿支柱、左 螺桿支柱連接，所述調(diào)節(jié)桿的末端插入所述環(huán)形槽；所述左、右兩個(gè)螺桿支柱上分別安裝有 第一調(diào)節(jié)螺母和第二調(diào)節(jié)螺母；上述杠桿調(diào)節(jié)裝置的撬動(dòng)端為調(diào)節(jié)桿的末端、由內(nèi)向外的 兩個(gè)支點(diǎn)分別為左螺桿支柱和右螺桿支柱。
[0043] 上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，整個(gè)裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊合理，實(shí)驗(yàn)操 作過程中，可充分滿足所需的調(diào)節(jié)要求，且調(diào)節(jié)操作十分簡(jiǎn)便；其中，圓環(huán)狀對(duì)電極使電流 分布更加均勻，有效減少擴(kuò)散控制帶來的溶液歐姆降，能夠?qū)崿F(xiàn)薄液膜條件下極化曲線、交 流阻抗和電化學(xué)噪聲等電化學(xué)測(cè)試；
[0044] 鎂合金工作電極完全浸沒在溶液中，避免液體表面張力的干擾，維持薄液膜厚度 穩(wěn)定的同時(shí)，也獲得100 μ m以下的極薄液膜。
[0045] 作為優(yōu)選，上述進(jìn)液管口和出液管口分別連接一臺(tái)流量可調(diào)的蠕動(dòng)泵，用于控制 電解液槽內(nèi)電解液流速。
[0046] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，通過蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)并控制電解槽內(nèi)模擬人 體體液的流動(dòng)，可以十分方便地進(jìn)行人體內(nèi)真實(shí)體液環(huán)境下的狀態(tài)模擬，并且，更加真實(shí)地 通過薄液膜條件模擬體內(nèi)環(huán)境肌肉組織、結(jié)締組織、上皮組織對(duì)鎂合金腐蝕的影響，進(jìn)一步 保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性。
[0047] 進(jìn)一步優(yōu)選，上述剛性框架材質(zhì)為有機(jī)玻璃；所述電解槽的底板材質(zhì)為玻璃。
[0048] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，剛性框架和電解槽底板的材質(zhì)均為透明 材質(zhì)，便于實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行全方位的適時(shí)觀測(cè)。
[0049] 進(jìn)一步優(yōu)選，上述左螺桿支柱和所述第一調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為細(xì)螺紋；所述右螺 桿支柱和所述第二調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為粗螺紋。
[0050] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，左螺桿支柱和右螺桿支柱這兩個(gè)杠桿裝 置的兩個(gè)支點(diǎn)分別采用不同螺距，在進(jìn)行絕緣柱體垂直方向上下調(diào)節(jié)的操作過程中，相互 配合調(diào)節(jié)，既方便快捷，又可保證所獲得的調(diào)節(jié)精度。
[0051] 進(jìn)一步優(yōu)選，上述圓環(huán)狀對(duì)電極為純鉬制造；所述絕緣柱體由聚四氟乙烯制成。
[0052] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，絕緣柱體9由聚四氟乙烯制成，主要考 慮到的是，聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)極低，具有良好的預(yù)防結(jié)垢的特性。
[0053] 本發(fā)明的目的之二是，提供一種利用上述鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行 鎂合金腐蝕體內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法。
[0054] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn) 裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0055] 第一步，分別將鎂合金工作電極、圓環(huán)狀對(duì)電極和參比電極分別通過導(dǎo)線與裝置 外的電化學(xué)工作站連接到位；
[0056] 第二步，向電解槽內(nèi)注入模擬人體體液至液面沒過絕緣柱體的下端，，調(diào)節(jié)電解槽 底板上的調(diào)平螺栓，至電解槽水平；
[0057] 將整個(gè)裝置放置在二氧化碳培養(yǎng)箱中，維持在37. 5°C下4%二氧化碳濃度的條 件，保證電解液槽內(nèi)的模擬人體液體pH值穩(wěn)定在7. 4?7. 6左右；
[0058] 分別啟動(dòng)與進(jìn)水管口和出水管口相連接的蠕動(dòng)泵；
[0059] 調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜與圓環(huán)狀對(duì)電極之間的間距至所需距離；
[0060] 再調(diào)節(jié)千分表的調(diào)節(jié)支架直至千分表的探測(cè)端頂緊在所述絕緣柱體的頂部表 面；
[0061] 第三步，讀取千分尺的示數(shù)，啟動(dòng)電化學(xué)工作站并通過電化學(xué)工作站檢測(cè)極化曲 線和電化學(xué)阻抗譜；
[0062] 第四步，調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜與圓環(huán)狀對(duì)電極之間的間距至另一個(gè)所 需距離，再次讀取千分尺的示數(shù)，并再次啟動(dòng)電化學(xué)工作站通過電化學(xué)工作站檢測(cè)極化曲 線和電化學(xué)阻抗譜；
[0063] 第五步，重復(fù)第四步，直至結(jié)束。
[0064] 上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，通過在薄液膜環(huán)境下，模擬體內(nèi)環(huán)境下人 體結(jié)締組織、毛細(xì)血管和骨組織等微環(huán)境對(duì)鎂合金腐蝕的影響，將體內(nèi)腐蝕微環(huán)境簡(jiǎn)化為 一種理想條件，提供一種新的可以定性定量分析鎂合金腐蝕速率的電化學(xué)測(cè)試方法；
[0065] 上述實(shí)驗(yàn)方法可原位對(duì)鎂合金樣品進(jìn)行電化學(xué)極化、交流阻抗或電化學(xué)噪聲測(cè) 試，并獲得與在體實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合的鎂合金體外腐蝕速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0066] 優(yōu)選為，上述疏水隔膜與圓環(huán)狀對(duì)電極之間的間距即為鎂合金表面薄液膜的厚 度；上述模擬人體體液為Hank' s溶液。
[0067] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，
[0068] 綜上所述，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：
[0069] 1、整個(gè)裝置構(gòu)造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊合理，實(shí)驗(yàn)操作過程中，可充分滿足所需的調(diào)節(jié)要 求，且調(diào)節(jié)操作十分簡(jiǎn)便；通過薄液膜結(jié)構(gòu)并通過蠕動(dòng)泵調(diào)節(jié)電解液的流速，在體外仿真性 模擬人體內(nèi)部微環(huán)境，特別是模擬肌肉組織、結(jié)締組織和上皮組織對(duì)鎂合金腐蝕行為的影 響，進(jìn)一步保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性；
[0070] 2、鎂合金工作電極浸沒在溶液中可以避免溶液表面張力對(duì)薄液膜厚度的影響，產(chǎn) 生厚度低于1〇〇 μ m的極薄液膜；
[0071] 3、在電解池內(nèi)部的形成有多孔結(jié)構(gòu)的絕緣柱體，可以避免長(zhǎng)時(shí)間浸泡實(shí)驗(yàn)中鎂合 金腐蝕產(chǎn)生的氫氣對(duì)薄液膜厚度的影響，保證薄液膜厚度均一、穩(wěn)定。
[0072] 4、該裝置適用于開路電位、動(dòng)電位極化曲線、線性極化曲線、交流阻抗譜和電化學(xué) 噪聲等一系列電化學(xué)測(cè)試技術(shù)，可滿足全面研究鎂合金的腐蝕電化學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0073] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0074] 圖2為本體溶液及不同薄液膜厚度條件下，純鎂在Hank's模擬體液中的動(dòng)電位極 化曲線圖（圖中，曲線A為本體溶液條件下的極化曲線，曲線B為200 μ m薄液膜厚度條件 下的極化曲線，曲線C為70 μ m薄液膜厚度條件下的極化曲線）；
[0075] 圖3為本體溶液及不同薄液膜厚度條件下，鎂合金AZ91D在Hank's模擬體液中的 動(dòng)電位極化曲線圖（圖中，曲線A為本體溶液條件下的極化曲線，曲線B為200 μ m薄液膜 厚度條件下的極化曲線，曲線C為1000 μ m薄液膜厚度條件下的極化曲線）。
[0076] 附圖標(biāo)記說明：1千分表、2可調(diào)支架、3套筒、4參比電極、5電解液槽、6圓環(huán)狀對(duì) 電極、7進(jìn)液管口、8調(diào)平螺栓、9絕緣柱體、10左螺桿支柱、11調(diào)節(jié)桿、12右螺桿支柱、13出 液管口、14絕緣柱體內(nèi)部空腔、15多孔陶瓷板、16疏水隔膜、17薄液膜、18工作電極、19樣 品臺(tái)、20剛性框架。

【具體實(shí)施方式】
[0077] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步說明。
[0078] 如圖1所示，本發(fā)明的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括底座系統(tǒng)，電解池 系統(tǒng)及測(cè)量控制系統(tǒng)；
[0079] 上述底座系統(tǒng)包括剛性框架20和套筒3 ;上述剛性框架20整體呈前后左右四面 敞開、上下封閉的六面體形狀，其頂板中心部開設(shè)有通孔，上述套筒3的下部插入上述通孔 內(nèi)并部分穿過上述頂板；
[0080] 電解池系統(tǒng)設(shè)置在上述剛性框架20的內(nèi)部空腔的中央；
[0081] 上述電解池系統(tǒng)包括電解液槽5和工作電極18 ;電解液槽5的左、右兩側(cè)壁上分 別設(shè)置有進(jìn)液管口 7和出液管口 13,上述出液管口 13的位置高于進(jìn)液管口 7 ;
[0082] 上述工作電極18為鎂/鎂合金電極，所述鎂/鎂合金電極分別為外層包裹有環(huán)氧 樹脂的直徑為20mm的鎂/鎂合金圓柱體；
[0083] 上述電解液槽內(nèi)部的底板中心處設(shè)置有一圓柱形的樣品臺(tái)19,樣品臺(tái)19的上部 設(shè)置有一插槽，工作電極18安裝在所述插槽出插槽；
[0084] 上述電解液槽外部的底板四個(gè)頂角處還分別設(shè)置有調(diào)平螺栓8,調(diào)平螺栓8用于 調(diào)整電解液槽的水平；
[0085] 測(cè)量控制系統(tǒng)包括絕緣柱體9 ;
[0086] 上述絕緣柱體9為圓柱體，其自上向下穿過上述套筒3深入到樣品臺(tái)的上表面上 方；
[0087] 上述絕緣柱體9以其底面圓心為圓心沿軸向開設(shè)有不透孔；不透孔由內(nèi)向外依次 由多孔陶瓷板15覆蓋，再由一層聚四氟乙烯制成的疏水隔膜16包覆封住，形成一個(gè)絕緣柱 體內(nèi)部空腔14 ;
[0088] 在用疏水隔膜16進(jìn)行包裹之前，先用洗耳球抽吸出上述空腔內(nèi)的空氣，以使絕緣 柱體內(nèi)部空腔14內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)；
[0089] 上述樣品臺(tái)頂部套裝有一圓環(huán)狀對(duì)電極6 ;
[0090] 上述電解槽內(nèi)還設(shè)置有一參比電極4,參比電極4的下端部自上而下穿過剛性框 架20的頂板，伸入到電解槽內(nèi)；
[0091] 上述絕緣柱體9在套筒3的上方位置處還設(shè)置有一環(huán)形槽；
[0092] 上述絕緣柱體9的頂部還設(shè)置有一千分表1，千分表1的探測(cè)端位于上述絕緣柱體 9的頂部表面上方，千分表的調(diào)節(jié)支架2固定在剛性框架20的頂板上；
[0093] 上述剛性框架20頂板上還設(shè)置有一用于調(diào)節(jié)絕緣柱體9在堅(jiān)直方向上位移的杠 桿調(diào)節(jié)裝置；
[0094] 上述杠桿調(diào)節(jié)裝置包括左、右兩個(gè)螺桿支柱和一調(diào)節(jié)桿11 ;其中，左螺桿支柱10 固定在所述套筒的上表面上，右螺桿支柱12固定在剛性框架20的頂板上，調(diào)節(jié)桿11上開 設(shè)有第一通孔和第二通孔，并通過所述第一通孔和第二通孔從右至左分別與所述右螺桿支 柱12、左螺桿10支柱連接，調(diào)節(jié)桿10的末端插入上述環(huán)形槽；上述左、右兩個(gè)螺桿支柱上 分別安裝有第一調(diào)節(jié)螺母和第二調(diào)節(jié)螺母；上述杠桿調(diào)節(jié)裝置的撬動(dòng)端為調(diào)節(jié)桿的末端、 由內(nèi)向外的兩個(gè)支點(diǎn)分別為左螺桿支柱10和右螺桿支柱12。
[0095] 上述進(jìn)液管口 7和出液管口 13分別連接一臺(tái)流量可調(diào)的蠕動(dòng)泵，用于控制電解液 槽內(nèi)電解液流速。
[0096] 上述剛性框架20材質(zhì)為有機(jī)玻璃；電解槽的底板材質(zhì)為玻璃。
[0097] 上述左螺桿支柱和所述第一調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為細(xì)螺紋；右螺桿支柱和所述第二 調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為粗螺紋。
[0098] 上述圓環(huán)狀對(duì)電極6為純鉬制造；絕緣柱體9由聚四氟乙烯制成。
[0099] 上述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括以下步 驟：
[0100] 第一步，分別將工作電極18、圓環(huán)狀對(duì)電極6和參比電極4分別通過導(dǎo)線與裝置外 的電化學(xué)工作站連接到位；
[0101] 第二步，向電解槽內(nèi)注入模擬人體體液至液面沒過絕緣柱體9的下端，調(diào)節(jié)電解 槽底板上的調(diào)平螺栓，至電解槽水平；
[0102] 將整個(gè)裝置放置在二氧化碳培養(yǎng)箱中，維持在37. 5°C下4%二氧化碳濃度的條 件，保證電解液槽內(nèi)的模擬人體液體pH值穩(wěn)定在7. 4?7. 6左右；
[0103] 分別啟動(dòng)與進(jìn)水管口 7和出水管口 13相連接的蠕動(dòng)泵；
[0104] 調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜16與圓環(huán)狀對(duì)電極6之間的間距至所需距離；
[0105] 再調(diào)節(jié)千分表的調(diào)節(jié)支架直至千分表的探測(cè)端頂緊在所述絕緣柱體9的頂部表 面；
[0106] 第三步，讀取千分尺1的示數(shù)，啟動(dòng)電化學(xué)工作站并通過電化學(xué)工作站檢測(cè)極化 曲線和電化學(xué)阻抗譜；
[0107] 第四步，調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜16與圓環(huán)狀對(duì)電極6之間的間距至另一 個(gè)所需距離，再次讀取千分尺1的示數(shù)，并再次啟動(dòng)電化學(xué)工作站通過電化學(xué)工作站檢測(cè) 極化曲線和電化學(xué)阻抗譜；
[0108] 第五步，重復(fù)第四步，直至結(jié)束。
[0109] 優(yōu)選的方式為，上述疏水隔膜16與圓環(huán)狀對(duì)電極6之間的間距即為鎂合金表面薄 液膜17的厚度；上述模擬人體體液為Hank' s溶液。
[0110] 為更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1
[0111] 工作電極為鎂電極
[0112] 實(shí)驗(yàn)方法：
[0113] 將鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置安裝到位后，通過杠桿調(diào)節(jié)裝置，將絕緣柱 體向下調(diào)節(jié)至與工作電極接觸，再通過電解槽調(diào)節(jié)螺栓逐步調(diào)節(jié)直至絕緣柱體下表面與工 作電極完全接觸，隨后調(diào)節(jié)可調(diào)支架使千分表與絕緣柱體接觸，記下示數(shù)定為零點(diǎn)。
[0114] 分別將工作電極、參比電極和圓環(huán)狀對(duì)電極連接至電化學(xué)工作站，啟動(dòng)電化學(xué)工 作站，開始電化學(xué)測(cè)試。
[0115] 再次通過杠桿調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)絕緣柱體的高度位置，即改變薄液膜的厚度（此時(shí)薄 液膜的厚度可通過千分表讀?。?；并將蠕動(dòng)泵連接到進(jìn)液管口上，通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速 以模擬體內(nèi)不同部位、不同的血液流速，上述模擬體液在蠕動(dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下依次經(jīng)薄液膜、出 液管口流出電解液槽。
[0116] 帶液膜厚度和流速調(diào)節(jié)完畢，再次開始新的電化學(xué)測(cè)試。
[0117] 如圖2所示，曲線A為本體溶液條件下的極化曲線，本體溶液即溶液自由流動(dòng)條件 下，相當(dāng)于薄液膜厚度為無限大，此時(shí)鎂的自腐蝕電位為-1. 544V(vs. SCE)，自腐蝕電流密 度為 8. 81Xl(T6A/cm2。
[0118] 根據(jù)法拉第定律，可將極化曲線的自腐蝕電流密度轉(zhuǎn)換為腐蝕速率CR，公式 如下：
[0119]

【權(quán)利要求】
1. 一種鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括底座系統(tǒng)，電解池系統(tǒng)及 測(cè)量控制系統(tǒng)； 所述底座系統(tǒng)包括剛性框架和套筒；所述剛性框架整體呈前后左右四面敞開、上下封 閉的六面體形狀，其頂板中心部開設(shè)有通孔，所述套筒的下部插入所述通孔內(nèi)并部分穿過 所述頂板； 所述電解池系統(tǒng)設(shè)置在所述剛性框架的內(nèi)部空腔的中央； 所述電解池系統(tǒng)包括電解液槽和工作電極； 所述工作電極為鎂/鎂合金電極； 所述電解液槽的左、右兩側(cè)壁上分別設(shè)置有進(jìn)液管口和出液管口，所述出液管口的位 置高于所述進(jìn)液管口； 所述電解液槽內(nèi)部的底板中心處設(shè)置有一圓柱形的樣品臺(tái)，所述樣品臺(tái)的上部設(shè)置有 一插槽，所述工作電極插入所述插槽； 所述電解液槽外部的底板四個(gè)頂角處還分別設(shè)置有調(diào)平螺栓，所述調(diào)平螺栓用于調(diào)整 電解液槽的水平； 所述測(cè)量控制系統(tǒng)包括絕緣柱體； 所述絕緣柱體為圓柱體，其自上向下穿過所述套筒深入到所述樣品臺(tái)的上表面上方； 所述絕緣柱體以其底面圓心為圓心沿軸向開設(shè)有不透孔；所述不透孔由內(nèi)向外依次由 多孔陶瓷板覆蓋，再由一層聚四氟乙烯制成的疏水隔膜包覆封住，形成一個(gè)絕緣柱體內(nèi)部 空腔； 在用疏水隔膜進(jìn)行包裹之前，先用洗耳球抽吸出上述空腔內(nèi)的空氣，以使絕緣柱體內(nèi) 部空腔內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)； 所述樣品臺(tái)頂部套裝有一圓環(huán)狀對(duì)電極； 所述電解槽內(nèi)還設(shè)置有一參比電極，所述參比電極的下端部自上而下穿過所述剛性框 架的頂板，伸入到電解槽內(nèi)； 所述絕緣柱體在所述套筒的上方位置處還設(shè)置有一環(huán)形槽； 所述絕緣柱體的頂部還設(shè)置有一千分表，所述千分表的探測(cè)端位于所述絕緣柱體的頂 部表面上方，所述千分表的調(diào)節(jié)支架固定在所述剛性框架的頂板上； 所述剛性框架頂板上還設(shè)置有一用于調(diào)節(jié)所述絕緣柱體在堅(jiān)直方向上位移的杠桿調(diào) 節(jié)裝置； 所述杠桿調(diào)節(jié)裝置包括左、右兩個(gè)螺桿支柱和一調(diào)節(jié)桿；其中，左螺桿支柱固定在所述 套筒的上表面上，右螺桿支柱固定在所述剛性框架的頂板上，所述調(diào)節(jié)桿上開設(shè)有第一通 孔和第二通孔，并通過所述第一通孔和第二通孔從右至左分別與所述右螺桿支柱、左螺桿 支柱連接，所述調(diào)節(jié)桿的末端插入所述環(huán)形槽；所述左、右兩個(gè)螺桿支柱上分別安裝有第一 調(diào)節(jié)螺母和第二調(diào)節(jié)螺母；上述杠桿調(diào)節(jié)裝置的撬動(dòng)端為調(diào)節(jié)桿的末端、由內(nèi)向外的兩個(gè) 支點(diǎn)分別為左螺桿支柱和右螺桿支柱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述進(jìn)液 管口和出液管口分別連接一臺(tái)流量可調(diào)的蠕動(dòng)泵，用于控制電解液槽內(nèi)電解液流速。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述剛性 框架材質(zhì)為有機(jī)玻璃； 所述電解槽的底板材質(zhì)為玻璃。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述左螺 桿支柱和所述第一調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為細(xì)螺紋； 所述右螺桿支柱和所述第二調(diào)節(jié)螺母的螺紋均為粗螺紋。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述圓環(huán) 狀對(duì)電極為純鉬制造； 所述絕緣柱體由聚四氟乙烯制成。
6. 如權(quán)利要求1所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于， 包括以下步驟： 第一步，分別將鎂合金工作電極、圓環(huán)狀對(duì)電極和參比電極分別通過導(dǎo)線與裝置外的 電化學(xué)工作站連接到位； 第二步，向電解槽內(nèi)注入模擬人體體液至液面沒過絕緣柱體的下端，，調(diào)節(jié)電解槽底板 上的調(diào)平螺栓，至電解槽水平； 將整個(gè)裝置放置在二氧化碳培養(yǎng)箱中，維持在37. 5°C下4 %二氧化碳濃度的條件，保 證電解液槽內(nèi)的模擬人體液體pH值穩(wěn)定在7. 4?7. 6左右； 分別啟動(dòng)與進(jìn)水管口和出水管口相連接的蠕動(dòng)泵； 調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜與圓環(huán)狀對(duì)電極之間的間距至所需距離； 再調(diào)節(jié)千分表的調(diào)節(jié)支架直至千分表的探測(cè)端頂緊在所述絕緣柱體9的頂部表面； 第三步，讀取千分尺的示數(shù)，并通過電化學(xué)工作站檢測(cè)極化曲線和電化學(xué)阻抗譜； 第四步，調(diào)節(jié)杠桿調(diào)節(jié)裝置，使疏水隔膜16與圓環(huán)狀對(duì)電極6之間的間距至另一個(gè) 所需距離，再次讀取千分尺的示數(shù)，并再次通過電化學(xué)工作站檢測(cè)極化曲線和電化學(xué)阻抗 譜； 第五步，重復(fù)第四步，直至結(jié)束。
7. 根據(jù)權(quán)利要求所述的鎂合金表面薄液膜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于， 所述疏水隔膜與圓環(huán)狀對(duì)電極之間的間距即為鎂合金表面薄液膜的厚度；所述模擬人體體 液為Hank' s溶液。
【文檔編號(hào)】G01N17/02GK104142293SQ201410332235
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】曾榮昌, 戚威臣, 劉麗君 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)