CN102618829B

CN102618829B - 一种具有非晶膜的医用镁合金材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102618829B
Application number: CN201110034306.5A
Authority: CN
Inventors: 张艳龙; 杨映红; 蒲忠杰; 张正才; 赵昆; 李畅
Original assignee: Lepu Medical Technology Beijing Co Ltd
Current assignee: Lepu Medical Technology Beijing Co Ltd
Priority date: 2011-01-31
Filing date: 2011-01-31
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2031-01-31
Also published as: CN102618829A

Abstract

本发明提供了一种具有非晶膜的医用镁合金材料，其由镁合金基体材料及在所述基体材料上沉积的镁合金非晶膜构成；所述镁合金非晶膜为Mg与选自Zn、Ca、Mn、Fe、Al、Y或稀土中的一种或多种组成的合金。本发明还提供了制备上述医用镁合金材料的方法。本发明的医用镁合金材料，其在镁合金基体材料上沉积有一层致密的镁合金非晶膜，利用镁合金非晶膜材料良好的耐蚀性，对整个医用镁合金材料起到耐蚀、可控降解的作用；并且，以高纯金属为原料，同时限定了镁合金基体材料以及镁合金非晶膜中各组分的含量，具有良好的生物相容性；采用磁控溅射方法形成的非晶膜致密且没有缺陷，与基体结合强度高、耐蚀性良好。

Description

一种具有非晶膜的医用镁合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有非晶膜的医用镁合金材料，具体地说，涉及一种生物体内可吸收的二元或多元镁合金植入材料及其制备方法。

背景技术

镁合金材料具有重要的医用价值。镁是人体不可缺少的重要营养元素，可以促进骨骼的形成，与人体的多种酶活性有关，参与人体的新陈代谢。我国镁资源丰富，镁合金金属生物材料表现出的优势和潜力，特别是在生物医用领域中的应用，必定会引起人们越来越多的研究。但是，镁合金的耐蚀性和力学性能始终制约着医用镁合金材料的发展，镁合金的耐蚀性和力学性能除与材料本身的成分、组织有关外，还与制备工艺密切相关。

非晶合金即金属玻璃，具有长程无序、短程有序的结构特点，属于热力学的亚稳态，固态时原子的三维空间拓补无序排列，在一定范围内保持相对稳定状态。对非晶态的大量研究证实，非晶合金中不存在晶界、位错、层错等晶体缺陷，非晶合金具有传统的晶态金属所不具有的诸多优良性能，如良好的机械、物理、化学性能，例如良好的耐磨性、高强度、高硬度和高韧性等，尤其是耐蚀性能优异(BrunoZberg等，MgZnCa glasses without clinically observablehydrogenevolution for biodegradable implants，Nature Materials，2009，8，11)。非晶合金通常需在急冷(冷却速率在10⁶K/s以上)条件下才能形成，对合金成分及温度梯度的要求苛刻。而且目前尚没有文献公开具有高纯镁合金非晶膜的医用镁合金材料。

溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面。磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的成就之一，它具有溅射率高、基片温升低、膜-基结合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点。随着近年非晶材料的研究深入，运用磁控溅射制备非晶材料已取得了一定成效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有非晶膜的医用镁合金材料，其具有良好的力学性能和生物相容性，尤其是具有良好的耐蚀性，适合于制备生物体内可吸收的植入材料。

本发明的另一目的在于提供上述医用镁合金材料的制备方法。

为了实现本发明的目的，本发明的具有非晶膜的医用镁合金材料由镁合金基体材料及在所述基体材料上沉积的镁合金非晶膜构成；所述镁合金非晶膜为Mg与选自Zn、Ca、Mn、Fe、Al、Y或稀土中的一种或多种组成的合金。具体地说，所述镁合金非晶膜含有至少一种如下质量百分数的金属成分，其余为镁：

Zn 0.5～30％、Ca 1～10％、Mn 0.5～10％、Fe 0.5～10％、Y 0.1～10％、Al 0.5～10％、RE 0.1～10％；

各成分的纯度均在99.9％以上。

本发明中，所述镁合金基体材料为Mg与选自Zn、Ca、Mn、Fe、Al、Y或稀土中的一种或多种组成的合金，其含有至少一种如下质量百分数的金属成分，其余为镁：

Fe 0.5～10％、Mn 0.5～10％、Zn 0.5～30％、Ca 1～10％、Y 0.1～10％、Al 0.5～10％、RE 0.1～10％；

各金属成分的纯度均在99.9％以上。

上述医用镁合金材料是通过磁控溅射方法，在所述镁合金基体材料上沉积出所述镁合金非晶膜而制成的。

本发明中所述稀土是指由元素周期表中镧系元素所组成的金属。本发明中合金的各组成成分均为高纯金属，纯度均在99.9％以上，符合医用要求。

本发明还提供制备上述医用镁合金材料的方法，其采用磁控溅射方法制备上述医用镁合金材料，包括如下步骤：

将基体材料置于进样室，将溅射用靶材置于主溅射室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-5～1×10^-4Pa之间，在进样室对基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距在30～200mm之间，在真空度达到1×10^-1～1×10^-2Pa时调节溅射功率50～500W起辉溅射，在靶材与基体之间施加-100～-300V的偏压，溅射时间0.5～15小时。

其中，所述靶材可以是纯金属靶材，即纯镁以及选自纯锌、纯铁、纯钙、纯锰、纯铝中的至少一种，上述金属的纯度均在99.9％以上；此外，所述靶材还可以是镁合金靶材，所述镁合金靶材为Mg与选自Zn、Ca、Mn、Fe、Al、Y或稀土中的一种或多种组成的镁合金。进一步地，所述镁合金优选为含有至少一种如下质量百分数的金属成分，其余为镁：

Zn 0.5～60％、Ca 1～10％、Mn 0.5～10％、Fe 0.5～10％、Y 0.1～10％、Al 0.5～10％、RE 0.1～10％；

各金属成分的纯度均在99.9％以上。

本发明的医用镁合金材料，其镁合金非晶膜的厚度没有特别要求，可以根据实际需要进行适当调节，一般来说可以通过控制溅射时间来调节膜层厚度，溅射时间越长，膜层越厚；溅射时间越短，膜层越薄。但考虑到医用镁合金材料具有生物体内可吸收性，作为植入材料植入生物体中，若膜层过厚，则非晶膜脆而易分裂，若膜层过薄，则达不到耐蚀性要求，因此，为获得适当的膜层厚度，溅射时间优选为0.5～15小时。

此外，本发明的制备方法还包括前处理步骤：将医用镁合金基体进行表面活化处理，然后用电化学抛光后置于丙酮或无水乙醇中超声清洗1～10min，然后用去离子水清洗，烘干。

本发明中的磁控溅射方法，优选采用射频电源。

本发明的优点在于，本发明的具有非晶膜的医用镁合金材料，其在镁合金基体材料上沉积有一层致密的镁合金非晶膜，利用镁合金非晶膜材料良好的耐蚀性，对整个医用镁合金材料起到耐蚀、可控降解的作用；且本发明的医用镁合金材料，以高纯金属为原料，并限定了镁合金基体材料以及镁合金非晶膜中各组分的含量，具有良好的生物相容性，可用于可降解血管支架、内固定用接骨板、骨钉和组织工程用支架材料等植入医学领域；本发明采用磁控溅射方法，在镁合金基体材料上成功的沉积出纳米级的镁合金非晶膜，所形成的非晶膜致密且没有缺陷，与基体结合强度高，经检测，本发明的医用镁合金材料具有优异的耐蚀性。

附图说明

图1为本发明的磁控溅射装置示意图；其中1为阴极、2为基体材料、3为阳极、4为固定装置、5为气体入口、6为抽真空口、7为高压线、8为阴极屏蔽。

具体实施方式

以下通过具体实施例来进一步说明本发明，但不用来限制本发明的范围。(注：下述实施例中的百分数均为质量百分数。)

实施例1

基体材料：Mg-Zn二元合金，其中：Zn含量为6％，其余为Mg；其中Mg纯度≥99.95％，Zn纯度≥99.99％；

靶材：高纯镁、高纯锌，Mg纯度≥99.99％，Zn纯度≥99.99％。

制备方法：

1、将镁合金基体材料表面活化处理，除去氧化膜层，然后采用电化学抛光，置于丙酮中超声清洗1min，然后用去离子水清洗，烘干备用；

2、采用图1所示的磁控溅射装置，将靶材与基体材料分别置于主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-5Pa，在进样室对镁合金基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距为100mm，当真空度达到3×10^-2Pa时分别以50W和100W的溅射功率溅射镁靶和锌靶，在靶材与基体之间施加-300V的偏压，所用的溅射电源为射频电源，溅射时间为2小时；溅射完成后待主溅射室温度冷却至室温后从主溅射室取出产品。

经X射线衍射(XRD)检测，上述制得的镁合金膜为非晶膜。

实施例2

基体材料：Mg-RE合金WE43，原材料中Mg纯度≥99.95％；

靶材：高纯镁、锌镁合金(锌镁合金中锌与镁的质量比50∶50)，其中Mg纯度均≥99.99％，Zn纯度≥99.99％。

制备方法：

1、将镁合金基体材料表面活化处理，然后采用电化学抛光，置于无水乙醇中超声清洗10min，然后用去离子水清洗，烘干备用；

2、采用图1所示的磁控溅射装置，将靶材与基体材料分别置于主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-4Pa，在进样室对镁合金基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距为30mm；当真空度达到3×10^-2Pa时，分别以60W和90W的溅射功率溅射镁靶和锌镁合金靶，在靶材与基体之间施加-100V的偏压，所用的溅射电源为射频电源，溅射时间为0.5小时；溅射完成后，待主溅射室温度冷却至室温后从主溅射室取出最终产品。

经XRD检测，上述制得的镁合金膜为非晶膜。

实施例3

基体材料：Mg-Ca二元合金，其中，Ca含量为5％，其余为Mg；原材料中Mg纯度≥99.95％；

靶材：高纯镁钙合金，其中，Ca含量为5％，其余为Mg；原材料中Mg纯度≥99.95％、Ca纯度≥99.9％。

制备方法：

1、将镁合金基体材料表面活化处理，然后采用电化学抛光，置于丙酮中超声清洗2min，然后用去离子水清洗，烘干备用；

2、采用图1所示的磁控溅射装置，将靶材与基体材料分别置于主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-4Pa，在进样室对镁合金基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距在150mm；当真空度达到3×10^-2Pa时，以200W的溅射功率溅射镁钙合金靶，在靶材与基体之间施加-150V的偏压，所用的溅射电源为射频电源，溅射时间为3小时；待主溅射室温度冷却至室温后从主溅射室取出最终产品。

经XRD检测，上述制得的镁合金膜为非晶膜。

实施例4

基体材料：Mg-Zn-Ca三元合金，其中，Zn含量为5％，Ca含量为0.5％，其余为Mg；原材料中Mg纯度≥99.95％、Zn纯度≥99.99％、Ca纯度≥99.9％；

靶材：MgZnCa三元合金靶，其中，Zn含量为60％，Ca的含量为5％，其余为Mg；Mg纯度≥99.95％、Zn纯度≥99.9％、Ca纯度≥99.99％。

制备方法：

2、采用图1所示的磁控溅射装置，将靶材与基体材料分别置于主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-4Pa，在进样室对镁合金基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距为60mm；当真空度达到2×10^-2Pa时，以250W的溅射功率溅射MgZnCa三元合金靶，在靶材与基体之间施加-200V的偏压，所用的溅射电源为射频电源，溅射时间为15小时；溅射完成后，待主溅射室温度冷却至室温后从主溅射室取出最终产品。

经XRD检测，上述制得的镁合金膜为非晶膜。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种具有非晶膜的医用镁合金材料，其特征在于，

以Mg-RE合金WE43为基体材料，原材料中Mg纯度≥99.95%；

靶材为高纯镁、锌镁合金，所述锌镁合金中锌与镁的质量比50:50，其中Mg纯度均≥99.99%，Zn纯度≥99.99%；

制备方法：

将镁合金基体材料表面活化处理，然后采用电化学抛光，置于无水乙醇中超声清洗10min，然后用去离子水清洗，烘干备用；

采用磁控溅射装置，将靶材与基体材料分别置于主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至1×10^-4Pa，在进样室对镁合金基体材料进行预溅射清洗；在氩气保护氛围下，将基体材料送入主溅射室，调节基体材料与靶材间距为30mm；当真空度达到3×10^-2Pa时，分别以60W和90W的溅射功率溅射镁靶和锌镁合金靶，在靶材与基体之间施加-100V的偏压，所用的溅射电源为射频电源，溅射时间为0.5小时；溅射完成后，待主溅射室温度冷却至室温后从主溅射室取出最终产品；

经XRD检测，上述制得的镁合金膜为非晶膜。