CN102392164A

CN102392164A - 可降解高韧耐蚀医用Mg-Li-Ca-Y合金

Info

Publication number: CN102392164A
Application number: CN2011103472015A
Authority: CN
Inventors: 曾荣昌
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2012-03-28

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Mg-Li-Ca-Y合金医用金属材料。本发明是一种由Mg、Li、Ca、Y组成的四元镁合金体系，其组分及质量百分比为：Li 1.0-9.5％，Ca 0.6-1.5％，Y 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、Ca和Y合金元素来调控力学和耐蚀性能。Li是唯一可改变Mg结构的合金元素，可提高镁腐蚀产物Mg(OH)₂的致密性和阻挡性的作用；Ca可细化组织晶粒，形成的腐蚀产物CaCO₃、CaMgCO₃具有保护性；Y在镁合金表面形成致密性好的氧化膜Y₂O₃，提高合金的耐蚀性。因此，Mg-Li-Ca-Y合金具有良好生物相容性、较高机械强度、高塑形和优良耐蚀性能。

Description

可降解高韧耐蚀医用Mg-Li-Ca-Y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韧耐蚀医用Mg-Li-Ca-Y合金材料。

背景技术

骨修复和心血管支架材料具有巨大的市场需求。据不完全统计，2000年美国就有123万骨修复治疗的病人，其中骨移植的病人达到45万，耗资1200亿；我国尚无确切数字，估计接受骨缺损修复治疗的病人每年也多达数百万例。另外，全球每年有一百多万心血管支架植入人体动脉。我国在40岁以上的人口中，冠心病发病率达4-7％，需要接受心血管手术的病人超过400万人。

镁合金具有如下特点：

①良好的生物相容性，镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程。

②良好的力学相容性，镁及其合金的密度与人体骨组织的密度(1.75g/cm3)接近。与目前使用的金属植入材料钛和不锈钢的弹性模量相比，只有镁的弹性模量(E＝45GPa)与人骨(E＝3～20GPa)最接近，能有效降低“应力遮挡”效应，亦可克服目前可降解高分子医用材料力学性能低和陶瓷材料韧性差的问题。

③可降解吸收性，不需经二次手术取出，减少了病变的风险和患者的经济负担和精神痛苦。

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，医用镁合金的应用存在以下科学问题：

(1)目前研究的绝大数镁合金为商用合金，并非针对医用而设计。机械性能(如塑性、韧性)、耐蚀性不能完全满足要求。

(2)缺乏高塑韧耐蚀医用镁合金材料。

①高塑性：血管支架在服役时要求材料的延伸率大于20％。Biotronik公司研发的WE43可降解镁合金支架，强度高，但是，延伸率却难以满足支架要求。例如，WE43固溶处理(T4)挤压态抗拉强度(UTS)、屈服强度(TYS)、延伸率(EL)分别为270MPa、190MPa、16％；人工时效(T5)挤压态UTS、TYS、EL分别为280MPa、195MPa、10％；人工时效(T5)锻造态UTS、TYS、EL分别为300MPa、180MPa、10％。

②高韧性：骨骼要求高抗冲击能力。

③镁合金过快的腐蚀导致析氢速度较大。纯镁的析氢速度高达10ml/h或者40ml/cm²/day。BioMag352(0.2％Zn-2.82％Nd-0.19Ca-0.21Y-0.33Zr)的析氢速度也高达2.5ml/h或10ml/cm²/day，而人体吸收氢的容许度仅为2.25ml/cm²/day。

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％。

据不完全统计，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，TYS为104/105MPa、EL达到39％。随Li含量的变化，Mg-Li合金组织结构将发生三种形态(α，α+β，β)的变化。微量Li元素对人体具有必需功能或有益作用。

2005年，Witte博士报道了镁铝合金AZ31、AZ91和稀土镁合金WE43、LAE442(4wt％Li，4wt％Al，2wt％RE)动物腐蚀试验结果。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。应当指出，LAE442合金含有较高含量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)。

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蘘和纤维蘘。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、Y组成的生物医用可降解四元镁合金体系组成的Mg-Li-Ca-Y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 0.6-1.5％，

Y 0.6-1.5％，

其余为Mg。

采用高纯度高洁净真空冶炼技术制造，并经过挤压变形处理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、Y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，具有提高镁的腐蚀产物Mg(OH)₂的致密性的作用。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。

Ca在Li和Mg中的平衡分配系数均小于1，Ca的加入必将导致Mg-Li合金熔体的过冷度增大，从而细化合金显微组织；形成的腐蚀产物CaCO₃可形成具有保护性的膜层。钙元素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。Ca元素在一定范围(0.6～1.0％)内可提高镁合金的耐蚀性，且价格低廉，可以部分代替稀土元素，降低成本。Ca也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。

Li、Ca元素使形成的Mg(OH)₂外层致密稳定而更具有保护性；另外，在Hank’s溶液中能生成保护性的碳酸锂、碳酸钙表面膜。

金属或合金的耐蚀性是与其表面氧化膜的完整性或PB比有关。由于Mg、Li、Ca的PB比均小于1，氧化物不致密，没有保护性；

稀土元素Y它可以使合金的枝晶组织细化，合金断口纤维组织比率提高；Y溶解在Mg晶体中，能降低轴比(c/a)，提高合金塑性；与镁的原子尺寸接近，在镁中有较大固溶度(12％)，可以实现固溶强化、沉淀强化，提高镁合金机械强度；而Y元素在镁合金表面可形成Y₂O₃，PB比为1.13，减少了镁表面氧化物缺陷，提高了氧化膜致密性、保护性和耐蚀性。

Y的加入可减少非稀土化合物(阴极相)的数量，稀土化合物对合金的位错组织有钉扎作用，会减少因为析氢过程而生成的蚀坑。研究还表明，Y元素在晶体表面的掺杂原子镶嵌能低于在晶内的掺杂原子镶嵌能，Y从晶内向晶体表面扩散。因为Y与氧的原子亲和能低于镁与氧的亲和能，所以Y元素在合金表面偏聚。Y-O、Mg-O及Mg-O-H间的亲和能均为负数，这些原子间存在亲和力，可以在合金中相互作用形成化合物。

Mg-Li-Ca-Y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挤压态四元镁合金Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y的3D显微组织。

图2挤压态与铸态Mg-1.21Li-1.12Ca-1.0Y合金力学性能比较。

图3Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y、Mg-0.54Ca、Mg-0.60Ca-1.33Li合金在Hank’s溶液中8h的失重腐蚀速度比较。

图4Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y、Mg-0.54Ca、Mg-0.60Ca-1.33Li合金在Hank’s溶液中8h的pH值随时间的变化曲线比较。

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％，Y的纯度为99.9％。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320-420℃挤压变形。挤压变形工艺过程为：先预热，后挤压。坯料预热温度为320℃，时间为5h；挤压机模具温度比坯料温度低20℃，保温时间为2～5h；挤压速度为1～3m/min，挤压比为16～20∶1。

实施例1

图1表示挤压态四元镁合金Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y的组织是由α-Mg相和细小而弥散分布的第二相组成。

实施例2

图2表示挤压态Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y合金力学性能远比其铸态高，挤压态合金的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为185MPa、120MPa、24％。

实施例3

图3表示Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y耐蚀性能比Mg-1.33Li-0.60Ca、Mg-0.54Ca合金的耐蚀性能优良。Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y、M-1.33Li g-0.60Ca、Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中8h的失重腐蚀速度分别为16μg/cm²·h、31μg/cm²·h、82μg/cm²·h。另外，Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y、Mg-1.33Li-0.60Ca、Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中的电流密度分别为：2.78×10^-5A/cm²、6.89×10^-5A/cm²、9.44×10^-5A/cm²。

实施例4

图4表示Mg-1.27Li-0.51Ca-0.61Y比Mg-1.33Li-0.60Ca和Mg-0.54Ca合金在Hank’s溶液中pH值低。在浸泡6h以后，Mg-1.33Li-0.60Ca的pH值反而比Mg-1.27Li-0.61Y-0.51Ca低，这表示Y含量仅为0.61wt％的作用较为有限，而Li元素具有明显地抑制溶液pH值增长过快的作用。

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-Y合金具有良好的生物相容性、较高的机械强度、极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-Y合金耐蚀性优点越来越明显。

Claims

1.一种医用可降解高韧耐蚀Mg-Li-Ca-Y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％，

Y 0.6-1.5％，

其余为Mg。

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

5.根据权利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y镁合金材料，其特征在于，该材料经过380-420℃的挤压变形工艺。

6.根据权利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y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(＜10μm)和弥散分布的第二相。

7.根据权利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y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185～230MPa、120～150MPa、20～30％。

8.根据权利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y镁合金材料，其特征在于，该材料在Hank’s溶液中的耐蚀性能比Mg-Ca和Mg-Li-Ca都高。