CN103184380B - 生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及医用合金技术领域内的一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金及其制备方法，该合金由Gd、Zn、Sr、Zr和Mg组成，其中，各组分的重量百分含量为：Gd？5～10%，Zn？0.5～3%，Sr？0.1～1%，Zr？0.1～1%，余量为Mg。本发明通过合金元素的合理设计，使合金组织中形成长周期堆垛结构（LPSO结构），这种结构可强韧化合金，且可提高合金的耐蚀性能和耐局部腐蚀性能。通过变形加工和热处理可进一步提高镁合金的强韧性和耐蚀性能。本发明提供的镁合金在模拟体液中的腐蚀方式为均匀腐蚀，避免了植入材料因局部腐蚀造成整体失效，且无明显的细胞毒性。可用作骨板、骨钉等骨外科内固定及植入材料。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种医用合金及其制备方法，特别是一种用于生物可降解植入材料领域的合金及其制备方法。
背景技术
目前临床应用的骨科植入材料主要是不锈钢和钛合金材料。但是不锈钢和钛合金都是生物惰性材料，在体内不可降解，并容易产生可溶性离子，易引起生物毒性、局部过敏或炎症；骨愈合后需要二次手术将植入材料取出，增加了患者的痛苦、心理和经济负担。另外，不锈钢和钛合金的弹性模量远远高于人骨的弹性模量，对局部骨组织产生很大的“应力遮挡”效应，可能导致自然骨功能退化甚至萎缩的可能。
为解决上述问题，现有技术中也有采用生物可降解的材料制造相应骨固定器材的技术方案，例如中国专利数据库中公开的如下专利技术：生物可降解的镁合金及其用途，申请号：200780024694.0，申请日：2007-04-29，公开日：2009-07-15，该合金组合物包含：至少90％重量的镁；1.5％重量到5％重量的钕；0.1％重量到4％重量的钇；0.1％重量到1％重量的锆；和0.1％重量到2％重量的钙，该组合物不含锌。
现有技术中，还有一种医用可吸收Mg-Zn-Mn-Ca镁合金，其申请号：200810012384.3，申请日：2008-07-18，公开号：CN101629260，公开日：2010-01-20；该镁合金含有(重量%):锌(Zn)1.0~5.0%，锰(Mn)0.2~2.0%，钙(Ca)0.1~3.0%，镁(Mg)余量。
上述两种镁合金均具有一定的生物相容性和力学性能，可制成骨固定器械如骨钉、骨板等。其不足之处在于：镁的降解速率过快，且容易出现局部降解不均匀的问题，目前的镁合金尚不能满足临床要求。因此，必须开发低降解速率且均匀降解的生物可降解镁合金材料。
发明内容
本发明的目的是针对当前生物可降解镁合金存在腐蚀速率过快及局部腐蚀等不足，提供一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金，使其能在生物体内均匀降解，腐蚀速度适当。
本发明的目的是这样实现的：一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金，由Gd、Zn、Sr、Zr和Mg组成，其中，各组分的重量百分含量为：Gd5～10%，Zn0.5～3%，Sr0.1～1%，Zr0.1～1%，余量为Mg。
本发明还提供了一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔炼：
将如下原料加入熔炼炉中进行熔炼：
Gd采用Mg-Gd中间合金，Zn采用纯锌，Sr采用Mg-Sr中间合金或纯锶，Zr采用Mg-Zr中间合金，余量的Mg采用纯镁；上述原料在保护气体环境下熔炼后，铸造成Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭；
（2）均匀化处理：
将步骤（1）获得的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭在480～550℃下保温6～24小时；
（3）将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金在250～350℃保温1～3小时后进行挤压或轧制变形后获得成品。
上述步骤（1）的原料中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量百分含量为20～50%，Mg-Sr中间合金中Sr的质量百分含量为20～99.99%，Mg-Zr中间合金中Zr的质量百分含量为20～50%。采用中间合金，其物态稳定，制造方便，可降低成本。
步骤（1）中所述保护气体为六氟化硫和二氧化碳的混合气体，六氟化硫和二氧化碳的体积比为（1:20）～（1:5）。可避免熔炼时的氧化。
本发明镁合金中各元素作用如下：Gd的加入提高镁合金的强度与耐蚀性能，稀土元素Gd具有较好的生物安全性；Zn是人体必须的微量营养元素，Zn的加入可提高合金延伸率和耐腐蚀性，且Zn的加入可使Mg-Gd-Zn系合金组织中形成长周期堆垛（LPSO）结构，该结构对镁合金的强韧性和耐蚀性具有显著提高作用；Sr具有诱导成骨细胞生长的作用；Zr具有细化晶粒，提高合金的强度和耐蚀性的作用，Zr存在于Mg基体中，可提高了基体的腐蚀电位，使之与第二相的腐蚀电位更接近，从而起到均匀降解的效果，其添加量少，对细胞无毒性。本发明获得的生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金可通过再加工制成作骨科植入材料，可用于人体，在人体环境下使用时，可逐步降解，其降解时，可补充人体微量元素，降解速率与人体骨愈合速度匹配，降解均匀，可促进骨愈合。该镁合金具有良好的力学相容性，比重小，其密度约1.85g/cm3，与人骨密度（约1.75g/cm3）非常接近。是目前所有金属材料中生物力学性能与人体骨最接近的金属材料。弹性模量约为45GPa，约是临床用钛合金的1/2，临床用不锈钢的1/4-1/5，能有效降低“应力遮挡”效应，促进骨的愈合。镁是人体内重要的营养元素之一，是人体内第4位金属元素、细胞内仅次于K+的第2位的阳离子。镁具有良好的组织相容性、低致栓性和低炎性反应。此外，由于镁的标准电极电位较低，在人体环境中可降解，其腐蚀产物主要为钙磷复合物，作为骨科植入材料，钙磷复合物可促进骨的愈合。因此，本发明的镁合金适合用于骨板、骨钉等骨外科内固定及植入材料。
本发明生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金的有益效果是：
（1）本发明Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金具有理想的腐蚀性能，且腐蚀形貌较为均匀，避免因局部腐蚀过快导致植入材料整体过早失效，达到了生物可降解材料的理想支撑效果。
（2）在成分设计上选取的合金化和微合金化元素在所提出的成分范围内均是无细胞毒性的，尤其是Sr的加入，具有诱导成骨细胞生长的作用。
（3）本发明的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金具有LPSO结构，该结构对合金的强度、韧性和耐蚀性能均有显著提高作用。
（4）本发明的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金经过变形加工（挤压或轧制）后具有良好的力学性能，室温屈服强度超过300MPa，拉伸强度超过340MPa，延伸率超过4%，适合用作骨科植入材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
采用纯镁（Mg的纯度大于等于99.95%）、Gd质量百分含量为20%的Mg-Gd中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.05%）、纯锌（Zn的纯度大于等于99.99%）、Sr质量百分含量为20%的Mg-Sr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%）、Zr质量百分含量为20%的Mg-Zr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%），按Mg-8Gd-1Zn-0.3Sr-0.4Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg90.3%、Gd8%、Zn1%、Sr0.3%、Zr0.4%（该质量百分含量中对合理的杂质均不作考虑，在选取原料时，应尽量选取杂质少的原料）。
熔炼时，先将纯镁加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体作为保护气体，CO2和SF6的气体用量为20:1，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯Zn、Mg-Sr中间合金和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在保护气体的保护下浇铸到金属型模具中。再对铸锭进行均匀化处理，处理温度为540℃，保温时间为10小时后，水冷至常温；然后进行热挤压变形加工，先将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金升温至350℃，保温1小时后再进行挤压加工，挤压温度350℃，挤压比25，挤压速率20mm/s，经挤压后获得产品，该产品可进一步进行加工成骨科植入器材。挤压后的合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为357MPa，抗拉强度为383MPa，延伸率为4.3%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.37mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例2
采用纯镁锭、Mg-Gd中间合金（Gd质量百分含量为30%）、纯锌、Mg-Sr中间合金（本中间合金中Sr质量百分含量为30%）、Mg-Zr中间合金（本中间合金中Zr质量百分含量为30%）为原料，按Mg-8Gd-1Zn-0.3Sr-0.4Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg90.3%、Gd8%、Zn1%、Sr0.3%、Zr0.4%，按该配比关系换算成原料用量，称重后进行熔炼。
熔炼时，先将纯镁锭加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体，CO2和SF6的气体用量为10:1；当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯Zn、Mg-Sr和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在混合气体保护下浇铸到模具中。再对铸锭进行均匀化处理（处理温度为550℃，保温时间为24小时，再水冷至常温）；再将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金升温至250℃，保温3小时，然后进行热挤压变形加工（挤压温度250℃，挤压比25，挤压速率20mm/s）。该挤压态合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为322MPa，抗拉强度为348MPa，延伸率为8.1%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.37mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例3
采用纯镁锭、Gd质量百分含量为50%的Mg-Gd中间合金、纯锌粉、Sr质量百分含量为80%的Mg-Sr中间合金、Zr质量百分含量为50%的Mg-Zr中间合金，按Mg-5Gd-0.5Zn-0.1Sr-0.1Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg94.3%、Gd5%、Zn0.5%、Sr0.1%、Zr0.1%。
熔炼时，先将纯镁加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体作为保护气体，CO2和SF6的气体用量为5:1，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯锌粉、Mg-Sr中间合金和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在保护气体的保护下浇铸到金属型模具中，获得Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭。再对铸锭进行均匀化处理，处理温度为480℃，保温时间为24小时后。再将该Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金在250℃下，保温3小时，再进行热轧制加工，轧制温度250℃，经轧制后获得产品，该产品可进一步进行加工成骨科植入器材。该产品中存在LPSO结构，室温屈服强度为371MPa，抗拉强度为418MPa，延伸率为5.7%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.38mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例4
采用纯镁锭、Gd质量百分含量为30%的Mg-Gd中间合金、纯锌粉、纯锶、Zr质量百分含量为40%的Mg-Zr中间合金，按Mg-10Gd-3Zn-1Sr-1Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg85%、Gd10%、Zn3%、Sr1%、Zr1%。
熔炼时，先将纯镁加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体作为保护气体，CO2和SF6的气体用量为10:1，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯锌粉、纯锶和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在保护气体的保护下浇铸到金属型模具中，获得Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭。再对铸锭进行均匀化处理，处理温度为550℃，保温时间为6小时后，完成均化处理。再将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金在350℃，保温2小时后，进行热轧制加工，轧制温度350℃，各道次下压量为5%，经2-3道轧制后获得产品。合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为331MPa，抗拉强度为358MPa，延伸率为4.7%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.41mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例5
采用纯镁锭（Mg的纯度大于等于99.95%）、Mg-Gd中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.05%）、纯锌（Zn的纯度大于等于99.99%）、纯锶（Sr的纯度大于等于99.99%）、Mg-Zr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%），按Mg-7Gd-1.2Zn-0.2Sr-0.6Zr（质量分数）合金成分配比，先将纯镁锭加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯Zn、纯锶和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在混合气体保护下浇铸到金属型模具中。对铸锭进行均匀化处理（处理温度为540℃，保温时间为10小时后，水冷至常温），再将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金升温至270℃，保温3小时，再对均匀化处理后的镁合金进行热挤压变形加工（挤压温度270℃，挤压比10，挤压速率20mm/s）。该挤压态合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为313MPa，抗拉强度为341MPa，延伸率为6.9%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.40mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例6
采用纯镁（Mg的纯度大于等于99.95%）、Gd质量百分含量为30%的Mg-Gd中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.05%）、纯锌（Zn的纯度大于等于99.99%）、Sr质量百分含量为20%的Mg-Sr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%）、Zr质量百分含量为25%的Mg-Zr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%），按Mg-6Gd-0.8Zn-0.1Sr-0.3Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg92.8%、Gd6%、Zn0.8%、Sr0.1%、Zr0.3%。
熔炼时，先将纯镁加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体作为保护气体，CO2和SF6的气体用量为9:1，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯Zn、Mg-Sr中间合金和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在保护气体的保护下浇铸到金属型模具中。再对铸锭进行均匀化处理，处理温度为540℃，保温时间为10小时后，水冷至常温；再将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金升温至320℃，保温1小时，然后进行热挤压变形加工，挤压温度320℃，挤压比25，挤压速率20mm/s，经挤压后获得产品，该产品可进一步进行加工成骨科植入器材。挤压后的合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为372MPa，抗拉强度为423MPa，延伸率为5.3%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.37mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
实施例7
采用纯镁（Mg的纯度大于等于99.95%）、Gd质量百分含量为30%的Mg-Gd中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.05%）、纯锌（Zn的纯度大于等于99.99%）、Sr质量百分含量为20%的Mg-Sr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%）、Zr质量百分含量为30%的Mg-Zr中间合金（Fe、Ni、Cu等杂质含量少于0.01%），按Mg-9Gd-2Zn-0.8Sr-0.8Zr（质量分数）合金成分配比，即质量百分含量分别为Mg87.4%、Gd9%、Zn2%、Sr0.8%、Zr0.8%。
熔炼时，先将纯镁加入电阻炉中熔化，炉温升到300℃开始通入CO2和SF6混合气体作为保护气体，CO2和SF6的气体用量为9:1，当温度升到750℃时加入Mg-Gd中间合金，待其熔化后开动自动搅拌器搅拌5分钟，随后加入纯Zn、Mg-Sr中间合金和Mg-Zr中间合金，搅拌5-10分钟后，静置20-40分钟，然后在720℃在保护气体的保护下浇铸到金属型模具中。再对铸锭进行均匀化处理，处理温度为540℃，保温时间为10小时后，水冷至常温；再将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金升温至350℃，保温3小时，然后进行热挤压变形加工，挤压温度350℃，挤压比25，挤压速率20mm/s，经挤压后获得产品，该产品可进一步进行加工成骨科植入器材。挤压后的合金中存在LPSO结构，室温屈服强度为365MPa，抗拉强度为413MPa，延伸率为5.7%，在模拟体液中的腐蚀速率为0.36mm/year，洗去表面腐蚀产物后腐蚀表面形貌较为均匀。
本发明并不局限于上述实施例，凡是在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护的范围内。
Claims (5)
1.一种生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金，其特征在于：由Gd、Zn、Sr、Zr和Mg组成，其中，各组分的重量百分含量为：Gd5～10%，Zn0.5～3%，Sr0.1～1%，Zr0.1～1%，余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金，其特征在于：各组分的重量百分含量为：Gd6～9%，Zn0.8～2%，Sr0.1～0.8%，Zr0.3～0.8%，余量为Mg。
3.根据权利要求1或2所述的生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金的制备方法，其特征是依次包括以下步骤：
(1)熔炼：
将如下原料加入熔炼炉中进行熔炼：
Gd采用Mg-Gd中间合金，Zn采用纯锌，Sr采用Mg-Sr中间合金或纯锶，Zr采用Mg-Zr中间合金，余量的Mg采用纯镁；
上述原料在保护气体环境下熔炼后，铸造成Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭；
（2）均匀化处理：
将步骤（1）获得的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金铸锭在480～550℃下保温6～24小时；
（3）将均匀化处理后的Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金在250～350℃保温1～3小时后进行挤压或轧制变形后获得成品。
4.根据权利要求3所述的生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）的原料中，Mg-Gd中间合金中Gd的质量百分含量为20～50%，Mg-Sr中间合金中Sr的质量百分含量为20～99.99%，Mg-Zr中间合金中Zr的质量百分含量为20～50%。
5.根据权利要求3所述的生物可降解Mg-Gd-Zn-Sr-Zr系镁合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述保护气体为六氟化硫和二氧化碳的混合气体，六氟化硫和二氧化碳的体积比为（1:20）～（1:5）。
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