CN114561579A - 不含稀土元素的生物可降解镁合金及其制备方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，所述镁合金包括质量百分比的元素：Zn1.0‑5.0％；Mn 0.1‑1.0％；Ca0.1‑1.0％；Sr0.1‑1.0％；Sn0.1‑3.0％；Zr 0.1‑0.8％；Mg余量，所述镁合金中的杂质不含有稀土。本发明还提供了上述生物可降解镁合金制备方法以及在制备医疗器械的用途。本发明以Mg为主体，和特定比例的Zn、Ca和Mn混合制备合金，其降解速度可控且具有较强的机械强度，且不存在对人体有害的元素，其且在人体体内降解不会对人体造成影响。

Description

不含稀土元素的生物可降解镁合金及其制备方法、应用

技术领域

本发明涉及医用材料领域，具体来说涉及一种不含稀土元素的生物可降解镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

医用金属材料是近几年高速发展的生物材料,由于其优良的机械性能,相比非金属材料而言更加适合承重部位的植入材料。如今常用的医用金属材料包括不锈钢、钛及钛合金、钴铬合金、贵金属、镁合金等。

镁合金由于其较低的密度，较高的强度，以及容易进行机械加工和焊接的特性，成为广泛使用的医用金属材料。人体内的镁在溶液介质中发生化学反应转变为镁离子，镁离子通过体内的吸收和肾脏的代谢来调节平衡，从而使镁合金材料在体内逐渐被降解吸收。镁合金因具有良好的力学性能、可控腐蚀性能和降解产物的最小副作用等优点而成为人体支架或支撑、承重材料的首选。但是镁性质比较活泼，在人体内很容易被腐蚀，即降解速率过快，这曾经是镁合金在人体内被应用的缺点，但是和其他金属材料不同，镁本身是人体所必须的一种重要元素，可以将镁合金作为一种在人体内吸收降解性材料来利用。现有技术中不少学者和研究人员针对应用在人体的镁合金作了研究。

CN112760537A公开了一种镁合金，所述镁合金包括88-93份Mg、2-6份Zn、0.2-1份Ca、0.3-1份Mn、0.3-1份Sn和0.7-5份稀土金属。本发明还公开了上述镁合金制备方法以及在制备医疗器械的用途。本发明以Mg为主体，和特定比例的Zn、Ca、Mn、Sn和稀土金属混合制备合金，其降解速度可控且具有较强的机械强度。

CN102296220A涉及一种可用于人体植入材料的生物医用耐蚀镁合金，其组分及质量百分含量为：Zn：1.5％～2.5％、Mn：0.8～1.4％、Nd：0.5～1.5％、Ca：0.5～1.0％，余量为Mg和不可避免的杂质。其制备方法为：按配比称量原材料并放入石墨坩埚中以高纯氩气为保护气体在真空感应电炉中熔炼合金，待熔炼温度达到770℃时启动电磁搅拌装置，搅拌10-20min且其间倾转坩埚数次，然后用C2Cl6精炼剂精炼处理3-5min，之后搅拌熔体、待其冷却到700-720℃时浇入模具中形成合金铸锭。本发明提供的镁合金不仅具有良好的力学性能，特别具有优异的耐蚀性能、能有效解决生物医用镁合金在体液中腐蚀降解速率过快的问题，而且生物相容性好，降解产物对人体不具有毒害作用，有望在生物医学领域获得重要应用。

CN109972007A涉及了一种生物体内可降解镁合金吻合钉材料及其制备方法。所述镁合金组成为Mg-Zn-Ca-M，其中M为Ag、Mn、Sn、Sr、Zr、Ge元素中的一种或一种以上的任意组合。经过熔炼铸造，均匀化处理，热挤压或再进行室温拉拔及其退火处理得到目标合金。与现有技术相比，采用本发明所述成分及制备方法制备的镁合金材料，具有较高的强度及塑性以及可控的降解速率，可在生物体内自然降解，降解产物不仅无毒副作用，而且可提供必要的营养补充，具有较高的生物安全性。适用于口腔、胃肠等器官的缝合或吻合手术中的吻合器用吻合钉材料，避免二次手术,为患者减轻痛苦。其中释放的微量银元素,还可抑制植入物周围细菌性炎症的发生。

现有技术中表明镁合金加入稀土元素的镁合金在强度方面有了提升，但是稀土(特别是降解后)能够引起肝脏毒性等一系列不良反应。虽然现有技术中存在大量对用于生物体内骨科植入物用镁合金的非稀土掺杂元素作了研究，但是作为生物可降解镁合金，现有技术还是存一些未曾解决的问题，例如镁合金在体内的降解速度、腐蚀速率过快(尤其是点蚀扩展迅速)和降解效果的调节以及如何弥补稀土元素缺失带来的强度损失，这影响到了医用镁合金的使用效果。因此亟需开发出一种即能保证强度又能调控降解效果和腐蚀的镁合金。

发明内容

本发明为了解决现有的生物可降解镁合金降解速度不可控，且降解和腐蚀过快后会造成生物毒性、不加稀土影响强度下降以及耐腐蚀性下降的问题，从而提供一种不含稀土元素的生物可降解镁合金。

本发明的发明人发现，虽然镁合金骨科植入物材料不添加稀土元素可缓解稀土元素引起的生物不相容、细胞毒性等问题，但是现有技术中的不含稀土元素的可降解镁合金依然存在强度低，点蚀或凹坑腐蚀严重及恶化迅速等问题未能解决。影响镁合金的强度以及腐蚀性能的至关重要的因素就是镁合金的内部组织结构。一般来说，细化晶粒能提高镁合金的强度，腐蚀特别是点蚀的形成，一般都是金属表面的阴阳极效应引起：当合金表面层(一般为氧化物层被破坏时，形成阴极，而裸露的内部本征镁合金形成“阳极”，阴阳极之间的作用自形成后电极效应会不断累积，形成越来越深的腐蚀坑，并且这种坑会不断扩散和累积，最终会给镁合金的强度以及耐腐蚀性能造成极大的破坏。现有技术存在将铸造的镁合金进行加工，例如挤压等塑形变形，希望能达到组织结构重构的的效果。但是目前的浇铸后的合金加工后得到的工件性能改善有限。

发明人为解决上述问题，采用的手段包括：对铸造后的镁合金进行精确可控的后加工工序。优选的后加工包括工艺可控的热处理、轧制和热挤压。利用热处理过程中借过扩散作用先消除或缩小浇铸凝固中镁合金组织中出现的不均匀夹杂析出物，降低后续加工过程中的晶粒细化或再结晶过程的阻碍；然后利用调控的热挤压工艺实现镁合金内部组织的第一次细化，并且在挤出时，合金表面层膜的裂纹得到了修复，变得更加致密；其后的调控轧制工艺实现镁合金晶粒的第二次细化。这种对镁合金的形貌组织进行精确控制，对于最终产品的性质控制是至关重要的。

具体地，本发明的第一方面提供如下一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，所述镁合金包括如下质量百分比的元素：

其中上述镁合金的晶粒平均尺寸为5-10μm，表面的微裂纹分布的平均密度为≦20个数/mm²。

在优选的实施方案中，所述镁合金中，Zn占1.0-3.0％，Ca占0.5-1.0％，Mn占0.5-1.0％，Zr占0.3-0.5％。

在优选的实施方案中，所述镁合金中的杂质质量比在0.003wt％以下。

在优选的实施方案中，所述镁合金中的杂质不含有铝。

本发明的第二方面提供一种上述生物可降解镁合金的制备方法，具体包括如下步骤：

1)熔融浇铸：密闭容器中，将各金属粉末按照需要的比例充分添加至熔融包中，控制温度在700-800℃下熔解，吹氩搅拌，进行浇铸，冷却；

2)热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度200-250℃，退火处理1-5min，冷却；

3)热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度250-300℃，挤出速率控制2-5mm/s，挤压的比例设定为10-15:1；

4)轧制成型：在320-350℃进行轧制，速度控制为20-30m/min，每道轧制的下压量控制在50-80％，得到成型的可降解镁合金。

在优选的实施例中，上述轧制完全成，可根据需要，进一步进行一道热处理工序。

在优选的实施例中，所述轧制前进行预热，预热时间不超过10min。

在优选的实施例中，所述轧制道次不超过10次。

在优选的实施例中，所述熔融浇铸时，吹氩搅拌是将氩气从熔融包中底部的气体口吹入。

本发明的第三方面还提供上述生物可降解镁合金在制备医疗器械的用途，根据具体的应用需要，将所述生物可降解镁合金进一步被加工成块状、管状或棒状。

在优选的实施例中，所述医疗器械包括骨钉、骨板、支架等，例如作为骨科植入物、心内介入支架或血管介入支架的使用。

本发明获得的技术效果包括如下：

本发明制备生物可降解镁合金时，通过控制其组织形态的调控，本发明以α-Mg为主体相，和特定比例的Zn、Zr和Mn混合制备形态组织可控的合金，其降解速度可控且保证足够的机械强度，且不存在对人体有害的稀土元素，其在人体体内降解不会对人体造成影响。

本发明先通过对铸造得到合金进行预热处理，对析出的不均匀夹杂物进行改性，达到使偏析聚集的析出物进行扩散消除，以及缩小析出物的面积的效果，为后续的组织、结构重构消除了阻碍。

同时本发明后续的加工工序，细化晶粒以及修复了镁合金表面膜的裂纹，改善了强度以及耐腐蚀性能。

本发明中，加入Zn可以提高镁合金的强度和伸长率，过少则本发明得不到所需的效果，过多则超过了极限，形成Zn富集的析出物，使耐蚀性下降；本发明中，Ca保持镁合金的强度，并提高耐蚀性的效果，过少则本发明得不到所需的效果，过多则容易形成析出物；本发明中，Mn在合金的精细化及耐蚀性提升方面具有效果，过少则本发明得不到所需的效果，过多则容易影响其机械加工性；本发明中加入少量的Zr、Sn和Sr，可以细化镁合金的晶粒，并提高其强度和塑性。

附图说明

图1为本发明实施例1与对比例1的样品的截面的微观组织对比图；

图2为本发明实施例1与对比例1样品表面的微观组织形貌对比图；

图3为实施例1-3与对比例1样品的拉伸-应变曲线对比图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的模块或具有相同或类似功能的模块。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本发明用于骨科植入物的镁合金，都是以Mg为主相，掺入其他的合金元素，不含稀土元素。一般对这类骨科植入的镁合金，要求有一定的强度以及降解速率。强度上，本发明得到的镁合金的抗拉强度以及屈服强度均超过250MPa；降解速率上，本发明的可降解镁合金在模拟体液中具有0.5-1.5mm/每年的降解速率。与现有技术中常规的镁合金相比，本发明下述实施例中的骨科植入镁合金具有显著的耐腐蚀性能，尤其对于点蚀的形成具有明显的抑制作用。调控腐蚀率是本发明镁合金对现有技术作出的主要的贡献，因为当镁合金植入生物体内后，要确保植入物一段时间段内不被大面积腐蚀损失具有足够的强度，并且优选地不影响生物体自身的愈合过程。另外，本发明的镁合金展现了优异的强度。

组织形态上，本发明实施方案得到可降解镁合金，控制都未出现大面积的、不规则的柱状晶或条状晶粒或长径比明显的晶粒组织，优选地是晶粒尺寸分布均匀的等轴细晶粒以及表面层组织分布比较致密。这些形态上的特点尤其使得特别有利于使用本发明的镁合金作为例如用于生物可降解骨科植入物的合金材料应用。

对于本发明得到的可降解生物镁合金的应用广泛，可作为骨科植入物、心内介入支架或血管介入支架使用，广泛用作(或经成型加工后用作)体内的钉、螺丝、缝钉、固定板、曲杆、关节螺栓、锁定螺栓、脊内支架、蜂窝支撑体等等，均满足生物体的需要。

实施例中未注明的部分具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。

下述的实施例和对比例中其使用的金属原料的粉末纯度均不小于99.999％，所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其制备方法为，将91份Mg、4份Zn、1份Ca、1份Mn、0.8份Zr、2份Sn、0.2份Sr的金属粉末充分混合，然后在700℃下熔解后浇铸成型；热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度200℃，退火处理1min，冷却；热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度300℃，挤出速率控制5mm/s，挤压的比例设定为10:1；轧制成型：在350℃进行轧制，速度控制为30m/min，每道轧制的下压量控制在60％，道次不超过10次，得到成型的生物可降解镁合金。

实施例2

本实施例提供一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其制备方法为，将89.2份Mg、5份Zn、1份Ca、1份Mn、0.8份Zr、2份Sn、1份Sr的金属粉末充分混合，然后在750℃下熔解后浇铸成型；热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度250℃，退火处理2min，冷却；热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度300℃，挤出速率控制5mm/s，挤压的比例设定为15:1；轧制成型：在350℃进行轧制，速度控制为20m/min，每道轧制道次的下压量控制在50％，道次不超过10次，得到成型的生物可降解镁合金。

实施例3

本实施例提供一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其制备方法为，将90份Mg、5份Zn、1份Ca、1份Mn、0.8份Zr、1.2份Sn、1份Sr的金属粉末充分混合，然后在700℃下熔解后浇铸成型；热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度200℃，退火处理1min，冷却；热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度250℃，挤出速率控制5mm/s，挤压的比例设定为15:1；轧制成型：在320℃进行轧制，速度控制为30m/min，每道轧制道次的下压量控制在80％，道次不超过10次，得到成型的生物可降解镁合金。

对比例1

本对比例除了未含步骤2)的热处理外，其余参数和工艺同实施例1相同。

合金微观组织形态测试

取实施例1与对比例1得到的镁合金进行制样，进行微观组织形态的观察对比。

本发明实施例1与对比例1的样品的截面的微观组织对比图，如图1所示。可以清楚地看出，相对对比例1的样品，本发明方法得到的镁合金样品的组织形貌中，晶粒尺寸更加均匀，说明工艺中的组织重新结晶更彻底；同时晶粒更细，偏析相更少，说明预先的热处理减少了析出物，降低了晶粒重新细化结晶的阻力。

本发明实施例1与对比例1样品表面的微观组织形貌对比图，如图2所示。通过对比可以看出，本发明方法得到的镁合金样品表面的裂纹明显得到抑制，无论从裂纹的宽度以及长度、密度都明显地减少了。本发明表面膜的裂纹密度低于20个数/mm²，而对比例1的样品表面裂纹密度高于100个数/mm²。

合金强度能性测试

将实施例1-3及对比例1得到的生物可降解镁合金，按照GB-T228-2002测定抗拉强度、屈服强度及延伸率，进行强度指标的测试，测试结果如表1以及图3所示：

表1

样品	抗拉强度MPa	屈服强度MPa	延伸率
				实施例1	330	300	21
实施例2	330	280	21
				实施例3	300	255	21
对比例1	255	225	17

由图3的拉伸-应力曲线可能直观地显示，实施例1-3得到镁合金的屈服强度都大于250MPa，抗拉强度都大于275MPa，延伸率均大于20％；而对比例1的镁合金样品屈服强度低于225MPa，以及抗拉强度也低于260MPa，延伸率不足17％。所以相对于对比例的样品，本发明样品的强度性能至少提高了10-20％以上。

合金降解性能

取实施例1-3及对比例1得到的生物可降解镁合金，制成棒材，每个棒材取厚度为1mm，直径10mm的材料，将其浸入37％生理盐水中模拟在人体内部体液的降解情况，模拟测试结果如下表所示：

表2

由上表可知，本申请实施例得到的生物可降解镁合金很好地控制了其在模拟体液中的降解速度，能够同时提供一定时间的强度的同时，又能满足生物体自身组织的愈合时间。而对比例1的降解速率过快且不可控，对于降解后的沉淀析出物控制以及植入物强度的维持都是不利的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，所述镁合金包括如下质量百分比的元素：

其中上述镁合金的晶粒平均尺寸为5-10μm，表面的微裂纹分布的平均密度为≦20个数/mm²。

2.根据权利要求1所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其特征在于，进一步的，所述镁合金中，Zn占1.0-3.0％，Ca占0.5-1.0％，Mn占0.5-1.0％，Zr占0.3-0.5％。

3.根据权利要求1所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其特征在于，所述镁合金中的杂质质量比在0.003wt％以下。

4.根据权利要求1所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金，其特征在于，所述镁合金中的杂质不含有铝。

5.一种如上述权利要求1-4之一生物可降解镁合金的制备方法，具体包括如下步骤：

1)熔融浇铸：密闭容器中，将各金属粉末按照需要的比例充分添加至熔融包中，控制温度在700-800℃下熔解，吹氩搅拌，进行浇铸，冷却；

2)热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度200-250℃，退火处理1-5min，冷却；

3)热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度250-300℃，挤出速率控制2-5mm/s，挤压的比例设定为10-15:1；

4)轧制成型：在320-350℃进行轧制，速度控制为20-30m/min，每道轧制的下压量控制在50-80％，得到成型的可降解镁合金。

6.根据权利要求5所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金的制备方法，其特征在于，所述轧制完成后，可根据需要，进一步进行一道热处理工序。

7.根据权利要求5所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金的制备方法，其特征在于，所述轧制前进行预热，预热时间不超过10min。

8.根据权利要求5所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金的制备方法，其特征在于，所述轧制道次不超过10次。

9.根据权利要求5所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金的制备方法，其特征在于，在优选的实施例中，所述熔融浇铸时，吹氩搅拌是将氩气从熔融包中底部的气体口吹入。

10.根据权利要求1所述的一种不含稀土元素的生物可降解镁合金在医疗器械中的应用，其特征在于，将所述生物降解镁合金作为骨科植入物、心内介入支架或血管介入支架使用。

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