CN109252117B - 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法 - Google Patents

一种可降解骨植入镁合金及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109252117B
CN109252117B CN201811386576.0A CN201811386576A CN109252117B CN 109252117 B CN109252117 B CN 109252117B CN 201811386576 A CN201811386576 A CN 201811386576A CN 109252117 B CN109252117 B CN 109252117B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bone
magnesium alloy
extrusion
alloy
degradable
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811386576.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109252117A (zh
Inventor
杜文博
程元芬
刘轲
王朝辉
李淑波
杜宪
付军健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201811386576.0A priority Critical patent/CN109252117B/zh
Publication of CN109252117A publication Critical patent/CN109252117A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109252117B publication Critical patent/CN109252117B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/047—Other specific metals or alloys not covered by A61L27/042 - A61L27/045 or A61L27/06
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C23/00—Alloys based on magnesium
    • C22C23/04—Alloys based on magnesium with zinc or cadmium as the next major constituent

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

一种可降解骨植入镁合金及其制备方法，属于镁合金技术领域。该材料的主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，且质量百分含量为Zn 3.0‑5.0％，Mn 0.2％，Ca 0.2％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。低温(270℃‑300℃)反挤压工艺制备该合金，抗拉强度可达250‑350MPa，屈服强度可达190‑250MPa，断后伸长率不低于15％，显微硬度不低于60维氏硬度(Hv)，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/y。本发明定量的分析镁合金长期腐蚀后力学性能的变化，该合金特征在于腐蚀6个月后，屈服强度不低于30MPa，该合金材料的应用特征在于制备骨板、骨钉等骨植入物。

Description

一种可降解骨植入镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种可降解骨植入镁合金及其制备方法，本发明设计了一种适合作为人体环境下使用的可耐腐蚀降解骨植入材料，属于镁合金技术领域。
背景技术
人类在运动、工作和生活过程中经常出现意外受伤，从而造成不同程度的骨折或骨组织损伤。另外，随着我国人口的逐渐老龄化，骨损缺也越来越严重，所以骨缺损治疗是现代医疗技术中应当马上攻克的难题。
生物镁合金是近几年兴起的一种生物医用金属材料。与常见的不锈钢、钛合金、钴合金等金属基生物材料不同，镁合金的密度、弹性模量和力学性能等与人体自然骨骼更接近，具有更好的生物相容性，可以有效降低应力屏蔽效应。应力屏蔽是指由于固定材料的力学分流对骨骼所造成的强度降低及愈合延迟等生物学影响。不锈钢等高强度医用合金极易对受伤骨形成应力屏蔽，导致骨诱导能力下降，新骨的强度降低，延缓愈合时间，引起局部骨质疏松和骨皮质变薄，植入材料取出后易发生再次骨折。而且这类惰性医用金属材料长期存在于体内可能会因运动摩擦和腐蚀释放出有毒离子，造成局部过敏或炎症反应，如镍离子对人体有致敏反应，钴元素可干扰细胞中某些核酸的代谢，可诱导机体发生癌变。另外，由于此类材料植入体内不能自发降解，必须通过二次手术将植入件取出，也增加了医疗成本和患者的痛苦。
近年来镁合金作为可降解生物植入材料研究热点主要集中于对镁合金耐蚀性能和力学性能的提升。实际上，镁合金的低耐蚀性既是其作为可降解材料的基本性质，但降解过快又是限制其在临床应用的一大制约因素。众多学者对如何提高其耐蚀性提出了各种思路和方法，但对镁合金腐蚀之后的产物释放、结构完整性和力学性能变化考虑较少。一方面，快速腐蚀会生成Mg2+、H2、OH-、腐蚀沉淀等，甚至材料以颗粒形式直接脱落，对受伤组织和人体健康造成影响。另一方面，人体或动物大多数时间处于自由活动状态，这会使植入材料受到各种拉伸、压缩、剪切、磨损等多种力的作用，可能使镁合金失效加快或断裂，造成二次骨折的危险，因此腐蚀造成的力学性能变化也必须得到重视。针对现有的医用植入金属材料的缺陷，开发具有较好力学相容性，并且可在人体内降解，无毒副作用的新型医用金属植入材料具有重要意义。本发明选用有较好生物相容性合金化元素Mn、Zn、Ca，同时通过热加工的方法提高镁合金的力学及耐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可降解骨植入镁合金及其制备方法，通过优化设计镁合金的制备方法，使镁合金获得细小均匀的组织，从而提高材料的力学性能及耐蚀性能，开发能满足骨植入材料需求的可降解镁合金。
本发明所述目的的实现包括以下步骤：
该材料的主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，且质量百分含量为Zn 3-5％，Mn0.2％，Ca 0.2％，其余为Mg和不可避免的杂质元素。
一种可降解骨植入镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)原材料加工成铸锭如Φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在300℃-400℃保温0-24h，随后对铸锭进行空冷或水冷；
(2)将热处理之后的样品及挤压所用模具放入加热炉加热至270℃-300℃，并保温15min，采用反挤压工艺进行挤压，挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。
(3)挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等；随后进行退火处理，即在300℃保温0-20min，最后对样品进行空冷。
本发明的有益效果在于：
1.本发明制备了一种具有较好生物相容性且可耐腐蚀降解骨植入材料。
2.本发明挤压工艺采用反挤压，挤压筒壁与坯料之间无相对滑动，不产生摩擦损耗，沿制品截面上和长度上的变形更均匀。
3.本发明可降解生物镁合金挤压温度在再结晶温度以上，得到比较均匀的组织。
4.本发明可降解生物镁合金通过一系列热处理工艺，得到较高的力学性能及耐蚀性能。
5.本制备方法具有原材料成本低、制备工艺简单易操作等优点。
6.本发明的生物医用镁合金其应用特征在与制备骨钉、骨板等骨科植入物，所以本发明要求具有一定的腐蚀速率和力学性能。低温(270℃-300℃)反挤压工艺制备该合金，抗拉强度可达250-350MPa，屈服强度可达190-250MPa，断后伸长率不低于15％，显微硬度不低于60维氏硬度(Hv)，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/y。本发明定量的分析镁合金长期腐蚀后力学性能的变化，该合金特征在于腐蚀6个月后，屈服强度不低于30MPa，该合金材料的应用特征在于制备骨板、骨钉等骨植入物。
附图说明
图1为实施例1中镁合金的应力应变曲线；
图2为实施例2中镁合金的光学金相照片；
图3为实施例2中镁合金的极化曲线；
图4为实施例2中镁合金的力学性能随腐蚀时间的变化曲线；
图5为实施例2中镁合金的骨植入物实物图。
具体实施方式：
如下结合具体的实施案例进一步说明本发明，需要指出的是：以下实施案例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。
实施例1
1、该材料的主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，按照Mg-3.0wt％Zn-0.2wt％Mn-0.2wt％Ca的原则设计合金。
2、原材料加工成Φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在375℃保温24h，随后对坯锭进行水冷。
3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至290℃，并保温15min。
4、挤压时先沿中心轴依次从挤压筒底内装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压；挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。
5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。
6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等。随后进行退火处理，即在300℃保温10min，最后对样品进行空冷。
7、按上述方法所得材料的抗拉强度268MPa，屈服强度190MPa，断后伸长率21％，腐蚀速率0.23mm/y。
实施例2
1、该材料的主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，按照Mg-4.0wt％Zn-0.2wt％Mn-0.2wt％Ca的原则设计合金。
2、原材料加工成Φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在360℃保温0h，随后对坯锭进行空冷。
3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至280℃，并保温15min。
4、挤压时先从挤压筒底装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压。挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。
5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。
6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等。随后骨植入物进行退火处理，即在300℃保温10min，最后对样品进行空冷。
7、按上述方法所得材料的抗拉强度297MPa，屈服强度210MPa，断后伸长率23％，腐蚀速率0.21mm/y。
实施例3
1、该材料的主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，按照Mg-5.0wt％Zn-0.2wt％Mn-0.2wt％Ca的原则设计合金。
2、原材料加工成Φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在330℃保温24h，随后对坯锭进行水冷。
3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至270℃，并保温15min。
4、挤压时先从挤压筒底装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压。挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。
5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。
6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等，随后进行退火处理，即在300℃保温20min，最后对样品进行水冷。
7、按上述方法所得材料的抗拉强度305MPa，屈服强度247MPa，断后伸长率16％，腐蚀速率0.43mm/y。
尽管这里已详细列出并说明了优选实施案例，但本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等方式，这些内容都被认定为属于权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种可降解骨植入镁合金的应用，其特征在于，作为可降解骨植入镁合金骨钉及骨板，可降解骨植入镁合金主要组成元素为Mg、Zn、Mn、Ca等元素，且质量百分含量为Zn 3-5％，Mn 0.2％，Ca 0.2％，其余为Mg和不可避免的杂质元素；可降解骨植入镁合金的制备方法，包括以下步骤：
(1)原材料加工成铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在300℃-400℃保温0-24h，随后对铸锭进行空冷或水冷；
(2)将热处理之后的样品及挤压所用模具放入加热炉加热至270℃-300℃，并保温15min，然后采用反挤压进行挤压，挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却；
(3)挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板；随后进行退火处理，即在300℃保温0-20min，最后对样品进行空冷；
抗拉强度可达250-350MPa，屈服强度可达190-250MPa，断后伸长率不低于15％，显微硬度不低于60维氏硬度(Hv)，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/y；腐蚀6个月后，屈服强度不低于30MPa。
CN201811386576.0A 2018-11-20 2018-11-20 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法 Active CN109252117B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811386576.0A CN109252117B (zh) 2018-11-20 2018-11-20 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811386576.0A CN109252117B (zh) 2018-11-20 2018-11-20 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109252117A CN109252117A (zh) 2019-01-22
CN109252117B true CN109252117B (zh) 2020-10-13

Family

ID=65043799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811386576.0A Active CN109252117B (zh) 2018-11-20 2018-11-20 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109252117B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111235448B (zh) * 2020-01-19 2021-11-23 重庆大学 一种建筑模板用镁合金及其制备方法
CN115671378B (zh) * 2021-07-21 2024-03-15 北京大学口腔医学院 一种降解速率可控镁合金引导骨再生植入体

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5648909B2 (ja) * 2010-12-24 2015-01-07 住友電気工業株式会社 制振用マグネシウム合金及び制振材
CN105603282A (zh) * 2015-12-30 2016-05-25 天津理工大学 一种镁合金腹腔镜止血夹的制备方法
CN106498251B (zh) * 2016-10-09 2018-04-27 北京工业大学 一种生物医用镁合金及其制备方法
CN106676357B (zh) * 2017-01-19 2018-05-04 重庆大学 一种高塑性镁合金及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109252117A (zh) 2019-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wątroba et al. Design of novel Zn-Ag-Zr alloy with enhanced strength as a potential biodegradable implant material
CN108330368B (zh) 生物体植入物、其成分及制备方法
CN109972007B (zh) 一种生物体内可降解Mg-Zn-Ca-M的吻合钉材料及其制备方法
WO2011160533A1 (zh) 体内可降解的骨内植物用镁合金及其制造方法
CN112251639B (zh) 一种高强度抗菌钛合金棒材、丝材及其制备方法
WO2015139355A1 (zh) 一种人体可吸收的耐蚀高强韧锌镁合金植入材料
AU2020102567A4 (en) A high plasticity degradable LiZn4-X intermetallic compound and its preparation method
CN102258806B (zh) 一种可降解镁基骨科植入生物医用材料及制备方法
Cheng et al. Mechanical properties and corrosion behaviors of Mg− 4Zn− 0.2 Mn− 0.2 Ca alloy after long term in vitro degradation
CN109252117B (zh) 一种可降解骨植入镁合金及其制备方法
CN110694121A (zh) 一种体内可降解镁合金吻合钉及其制备方法
CN112472868B (zh) 一种可降解的Mg-Nd-Zn-Sc生物医用镁合金及其制备方法
CN108165782B (zh) 一种医用锌基合金带材及其制备方法
CN111172426B (zh) 一种高塑性可降解LiZn4-X金属间化合物及其制备方法
CN107198796B (zh) 一种生物医用Zn-Mn-Cu系锌合金及其制备方法
CN115029584B (zh) 一种生物可降解医用锌合金及其制备方法和应用
Torkian et al. Mechanical properties and in vivo biodegradability of Mg–Zr–Y–Nd–La magnesium alloy produced by a combined severe plastic deformation
JP7511275B2 (ja) 高疲労強度の医療用チタン合金とその熱間加工及び熱処理方法、並びに機器
CN108642359B (zh) 一种高强度的快速降解生物医用Mg-Zn-Zr-Fe合金材料及其制备方法
EP4272774A1 (en) Biodegradable magnesium alloy free of rare earth element, and preparation method and use thereof
CN108330367B (zh) 一种可吸收骨科植入镁合金及其制备方法
CN208851618U (zh) 低合金化可降解的微型内固定组件
CN112426570A (zh) 体内可降解高强韧医用Zn-Cu-Ag-Zr合金材料
CN111020253B (zh) 一种生物医用镁合金加工方法
CN110106413B (zh) Mg-Si-Ca-Zn系镁合金及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant