CN102392163A - 可降解高韧耐蚀医用Mg-Li-Ca合金 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生物材料领域在生物体内可降解的高韧耐蚀医用Mg-Li-Ca合金材料。本发明是一种由Mg、Li和Ca组成的三元镁合金体系，其组分及质量百分比为：Li 1.0-9.5％，Ca 0.6-1.5％其余为Mg。采用高纯度高洁净真空冶炼技术制造，经过变形处理细化组织、提高综合力学性能。其原理是利用镁在人体中易于降解特点，通过添加Li和Ca合金元素来调控镁的力学和耐蚀性能。Li是唯一可改变Mg结构的合金元素，可提高镁腐蚀产物的致密性的作用；Ca可细化组织晶粒，在人体体液中形成的腐蚀产物CaCO₃、CaMgCO₃具有保护性。因此，医用Mg-Li-Ca合金具有良好生物相容性、较高机械强度、高塑形和优良的耐蚀性能，具有重要的应用前景。

Description

可降解高韧耐蚀医用Mg-Li-Ca合金

技术领域

本发明涉及一种医用生物材料领域的生物体内可降解高塑韧耐蚀Mg-Li-Ca镁合金材料。

背景技术

镁合金具有良好的生物相容性和力学相容性，克服了可降解医用高分子材料力学性能较低和陶瓷材料韧性较差的缺点。镁的弹性模量(E＝45GPa)与人骨(E＝17～20GPa)最接近，能有效降低“应力遮挡效应”，是一类具有骨诱导作用的金属基可降解生物材料。镁是人体器官内第四位含量最多的阳离子，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程，且镁腐蚀不会产生有毒或有害的腐蚀产物。因此，镁合金作为新一代医用植入材料具有非常诱人的发展前景。

然而，目前医用镁合金的动物试验和临床研究表明，镁及其合金植入材料存在塑韧性和耐蚀性能不足的问题，还不能完全满足植入材料对寿命的要求。镁合金植入动物体内后一般2-4个月就因腐蚀降解而消失。

目前研究的绝大数镁合金为汽车、航空领域商用合金，并非针对医用而设计。其成分设计、机械性能(如塑性、韧性)、耐蚀性不能完全满足医用要求。例如，血管支架在服役时要求材料的延伸率大于20％。骨骼要求高抗冲击能力。

据报道，非晶态MgZnCa合金在降低氢气产生速度方面比晶态有明显效果。但其塑性(Plasticity)远比晶态差，非晶Mg66Zn30Ca4(压缩)塑性低于2％。

目前，国内外有关医用镁合金发明专利有：Mg-Zn系、Mg-Mn系、Mg-RE系和Mg-Si系。其中，Mg-Zn系合金为最多。

①Mg-Zn系：Mg-Zn、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Fe、Mg-Zn-Ca-Fe、Mg-Zn-Mn-Ca、Mg-Zn-Mn-Ca-Fe；

②Mg-Mn系：Mg-Mn-Ca、Mg-Mn-Zn、Mg-Mn-Zn-Ca；

③Mg-RE系：Mg-Y-Nd-Zr、Mg-Nd-Y-Zr-Ca-Zn；

④Mg-Si系：Mg-Si合金。

Mg-Li合金具有独特的低密度和优良的延展性。例如，铸态Mg-11at％Li合金在室温下，拉伸屈服强度为105MPa、延伸率达到39％。随Li含量的变化，Mg-Li合金组织结构将发生三种结构(α，α+β，β)的变化。

2005年，Witte博士报道了镁铝合金AZ31、AZ91和稀土镁合金WE43、镁锂合金LAE442(Li 4wt％，Al 4wt％，RE 2wt％)动物体内腐蚀试验结果。研究发现，与其他三种材料相比，LAE442的耐蚀性能最好。动物植入试验3个月表明，挤压LAE442合金腐蚀速度非常低，仅为0.31～0.58mm/a，基本达到医用可降解镁合金要求。但是，LAE442合金含有高达4％的可引起神经毒性的Al元素。

发明专利《可控腐蚀降解金属植入材料及其应用》(申请号：200510046360.6)中涉及镁锂系列(主要是二元Mg-1-15％Li及添加少量Li、RE、Zn和Si等元素组成的三元系或多元系，代表合金如LA91、LAZ933等)、Mg-Ca系列(主要是二元Mg-0.1～3％Ca及添加少量RE、Zr、Zn等元素组成的三元系或多元系)。

微量Li元素对人体具有必需功能或有益作用。Mg-Li合金良好的生物相容性已得到证实。LAE442植入兔子试验业已证明，Li元素没有对宿主产生炎症、感染、不良宿主反应、肝肾在组织学上的细胞结构无改变，无炎性细胞侵润，也没有观察到皮下气囊和纤维囊。动物肝脏和骨中Li含量分别为1.4μg/kg和0.08mg/kg，远低于其允许值2.8μg/kg和0.13mg/kg。另外，细胞毒性和免疫性试验也表明，Li元素对细胞活性没有任何影响，也不增加炎症反应。

发明内容

本发明针对现有医用镁合金存在的耐蚀性和塑韧性不足的问题，提出了一种新型由人体必需元素Mg、Ca和微量元素Li组成的生物医用可降解Mg-Li-Ca三元合金。

本发明的技术方案是：合金组分及质量百分比为：

Li 1.0-9.5％，

Ca 0.6-1.2％，

其余为Mg。

采用高纯度高洁净真空冶炼技术制造，并经过塑形变形加工和热处理提高其力学性能。

其原理是利用镁易于在人体体液中的腐蚀降解，并通过Li、Ca合金元素来调控腐蚀速率。

Li是唯一可改变Mg结构的合金元素，在人体环境中具有提高镁的腐蚀产物Mg(OH)₂致密性的作用。特别是，Mg-Ca合金中Li元素的加入，Li⁺离子与MgCl₂形成LiCl。LiCl在表面氢氧化镁孔隙中沉淀下来而成为阻挡层，导致了Mg(OH)₂膜的致密性提高。

Ca是人体必需的元素之一。人体每天正常摄取Ca量就高达1100mg。Ca能维持骨髂的强度，血液中也含有少量的Ca，它在血液凝固时起重要的作用。Ca²⁺还可以与Na⁺、K⁺共同协调神经和肌肉的活动。

Ca可显著提高镁合金在高温下的抗氧化性，细化晶粒，从而提高镁的强度和塑性等。在一定范围(0.6～1.0％)内可提高镁合金的耐蚀性，形成的碳酸盐腐蚀产物可形成具有保护性的膜层。且价格低廉，可以部分代替稀土元素，降低成本。

Mg-Li-Ca合金的腐蚀机理如下：

阳极反应：

Mg→Mg²⁺+2e                (1)

阴极反应：

2H₂O+2e→2OH^-+H₂↑         (2)

总反应为：

Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂↑                (3)

Mg-Li-Ca合金表面首先与空气中的氧形成MgO、CaO和Li₂O，然后在Hanks溶液中转变为氢氧化物：

2MgO+2H₂O→2Mg(OH)₂                  (4)

2CaO+2H₂O→2Ca(OH)₂                  (5)

Li₂O+H₂O→2LiOH                      (6)

合金表面腐蚀后，基体中除Mg以外，Ca和Li元素也会遭受溶液进一步的腐蚀：

Ca+2H₂O→Ca(OH)₂+H₂↑                (7)

2Li+2H₂O→2LiOH+H₂↑                 (8)

Mg腐蚀导致溶液pH值的变化为：

Mg²⁺+2OH^-→Mg(OH)₂↓                 (9)

lg[Mg²⁺]＝16.95-2pH                  (10)

当Mg²⁺达到过饱和时，

[Mg²⁺]＝10^-3.9mol/L                  (11)

pH＝10.43                            (12)

根据式(8)，Li腐蚀产生了LiOH，它在37℃100ml水中的溶解度为12.8g，即：在1L水中能溶解128gLiOH，[OH^-]为5.33mol/L。则溶液pOH值为：

pOH＝-log[OH^-]＝-0.73                (13)

则：

pH＝14-pOH＝14+0.73＝14.73＞10.43    (14)

可见，浸泡初期，Li的腐蚀导致了Mg合金表面/溶液局部碱度快速升高，Mg基体进入钝化区。随后的腐蚀过程中，将形成MgCO₃、CaCO₃或CaMgCO₃、CaMgPO₄等。

由于Hank’s溶液中HCO₃ ^-离子浓度较高，所以形成了较多的碳酸盐：

CaMgPO₄的形成是因为Ca和Mg生成氢氧化物后，再与溶液中的H₂PO₄ ^-或HPO₄ ^2-结合生成。

Mg-Li-Ca三元合金具有良好的生物相容性和力学性能，可以满足心血管支架、骨钉、骨板等医疗领域对生物材料的综合力学性能要求和生物安全性要求。

附图说明

图1挤压态三元镁合金Mg-1.33Li-0.6Ca的显微组织。

图2挤压态Mg-1.33Li-0.6Ca与Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中pH值随浸泡时间变化曲线比较。

图3挤压态Mg-1.33Li-0.6Ca与Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中析氢量随时间的变化曲线比较。

图4挤压态Mg-1.33Li-0.6Ca与Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中pH值随时间的变化曲线比较。

图5挤压态Mg-1.33Li-0.6Ca与Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中腐蚀产物XRD比较。

图6挤压态Mg-1.33Li-0.6Ca合金在Hank’s溶液中浸泡36h后的宏观腐蚀形貌。

图7挤压态Mg-9.29Li-0.88Ca合金显微组织。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本发明例在以本发明技术方案为前提下进行，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

原材料Mg的纯度为99.99％，Li的纯度为99.95％，Ca的纯度为99.75％。采用高纯度高洁净氩气保护下的真空冶炼技术铸造成型，并经过280-420℃挤压变形，制成板材、棒材或管材。挤压变形工艺过程为：先预热，后挤压。坯料预热温度为280-360℃，时间为5h；挤压机模具温度比坯料温度低20℃，保温时间为1～5h；挤压速度为1～3m/min，挤压比为16～20∶1。

实施例1

三元Mg-1.33Li-0.60Ca合金组分及质量百分比为：Li 1.33％，Ca 0.60％，其余为Mg。铸态Mg-1.33Li-0.60Ca合金挤压成5mm厚的板材，其合金组织为晶粒细小的等轴再结晶组织(平均晶粒尺寸为8μm)和弥散分布的第二相颗粒CaMg₂、CaLi₂组成。其抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为180MPa，107MPa和24.0％。

模拟人体体液为Hank’s溶液，其化学成分为：8.0g/L NaCl、0.4g/L KCl、0.14g/L CaCl₂、0.35g/L NaHCO₃、1.0g/LC₆H₁₂O₆、0.1g/L MgCl₂·6H₂O、0.06g/L MgSO₄·7H₂O、0.06g/L Na₂HPO₄、0.06g/L KH₂PO₄。

电化学试验表明，Mg-1.33Li-0.6Ca在Hank’s溶液中的腐蚀电流密度为3.98×10^-5A/cm²，或0.92mm/a或0.18g/(cm².h)。

图2失重腐蚀速率表明，Mg-Li-Ca三元合金比Mg-Ca二元合金耐蚀性能高。在Hank’s溶液中浸泡8小时后Mg-0.54Ca合金的平均腐蚀失重速率为134μg/day·cm²，而Mg-1.33Li-0.6Ca合金基体的平均腐蚀失重速率为64μg/day·cm²，比Mg-0.54Ca合金降低了110％。随着时间的延长，两种合金的腐蚀速率均出现了不同程度的下降，而且两者之间的腐蚀速率差不断扩大，Mg-1.26Li-0.56Ca试样的144h平均失重速率为37μg/(cm²·h)，远小于Mg-0.54Ca的530μg/(cm²·h)。这表明，相对Mg-0.54Ca合金，浸泡时间越长，Mg-1.26Li-0.56Ca合金的耐蚀性优势越明显。

图3析氢量与浸泡时间曲线也表明在Hank’s溶液中Mg-1.33Li-0.6Ca合金耐蚀性优于Mg-0.54Ca合金。Mg-0.54Ca合金的析氢过程经历了一个先慢后快的过程，曲线的斜率由小变大，呈开口向上的抛物线状。在第2h时，析氢量开始明显增加。Mg-1.33Li-0.6Ca合金的析氢量的增长平缓。在8h时，Mg-0.54Ca合金的析氢量为37.2ml，而Mg-1.33Li-0.6Ca合金的析氢量为10.2ml，比Mg-0.54Ca合金减少了26.8ml，Mg-0.54Ca合金的析氢量大约是Mg-1.33Li-0.6Ca合金析氢量3.7倍。

图4pH值的变化表明，腐蚀初期，Mg-1.33Li-0.6Ca比Mg-0.54Ca的腐蚀速率接近；随后，Mg-1.33Li-0.6Ca腐蚀速率随着时间的增加越来越小，所处溶液的pH值反而远低于Mg-0.54Ca所处溶液的pH值。Mg-1.33Li-0.6Ca合金在36h后pH值基本稳定在8.9，而Mg-0.54Ca则在40h后pH值达到9.7。所以，Mg-1.33Li-0.6Ca合金的pH值增加速度明显慢于Mg-0.54Ca合金。

图5Mg-1.33Li-0.6Ca合金的腐蚀产物XRD结果表明，在Mg-1.33Li-0.6Ca合金表面有LiH、Mg(OH)₂、MgCO₃、CaCO₃、CaMgCO₃以及CaMgPO₄。而Mg-Ca合金腐蚀产物为：MgCO₃、CaCO₃和CaMgPO₄。

图6表明Mg-1.33Li-0.6Ca合金在Hank’s溶液中浸泡36h后的表面膜层完整，腐蚀较轻微。

实施例2

工艺条件同实施例1，制备了Mg-1.33Li-0.95Ca三元合金。在Hank’s溶液中，Mg-1.33Li-0.95Ca的腐蚀电流密度为3.98×10^-5A/cm²，而Mg-0.79Ca的腐蚀电流密度为1.23×10^-4A/cm²。挤压态Mg-1.33Li-0.95Ca合金的耐蚀性比挤压态Mg-0.79Ca高一个数量级。

实施例3

根据实施例1的工艺条件，制备了具有两相(α+β)组织的三元合金Mg-9.29Li-0.88Ca。挤压态Mg-9.29Li-0.88Ca合金因具有晶粒细小的组织(图7)，比铸态合金的机械性能和耐蚀性能有显著的提高。

铸态Mg-9.29Li-0.88Ca合金的抗拉强度98.0MPa，屈服强度为74.0MPa，延伸率为4.2％。挤压态Mg-9.29Li-0.88Ca合金的抗拉强度120.0MPa，屈服强度为110.0MPa，延伸率为25.0％。这说明挤压态合金拥有良好的综合力学性能。

铸态和挤压态Mg-9.29Li-0.88Ca平均失重腐蚀速率分别为26μg/cm².h和5.2μg/cm².h。

与现有商业如WE43、LAE442以及Mg-Ca合金相比，本发明的创新性主要是Mg-Li-Ca合金不含重稀土元素和铝元素，具有更好的生物相容性、更高的延伸率和优良的耐蚀性能。特别是，随着浸泡时间的延长，Mg-Li-Ca合金耐蚀性优点越来越明显，溶液pH值增长非常缓慢。因此，医用Mg-Li-Ca合金具有重要的应用前景。

Claims (7)

1.一种医用可降解高韧耐蚀Mg-Li-Ca镁合金材料。其特征在于，合金组分及质量百分比为：

Li 1.0-9.5％，

Ca 0.6-1.5％，

其余为Mg。

2.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料主要含有：Li1.0-9.5％。

3.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料主要含有：Ca 0.6-1.5％。

4.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料经过280-420℃的挤压变形工艺。

5.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料具有晶粒细小的再结晶组织和弥散分布的第二相CaMg₂、CaLi₂。

6.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为160-180MPa、110-120MPa、20-26％。

7.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Li-Ca镁合金材料，其特征在于，该材料在Hank’s溶液中的耐蚀性比Mg-Ca合金高。

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