CN111809090A - 一种医用可降解Mg-Pr系镁合金及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用可降解Mg‑Pr系镁合金及其制备方法与应用，所述镁合金的成分组成包括0.05～7wt.％Pr、0～6wt.％Zn和0～0.4wt.％Zr，总的合金元素含量不超过7wt.％，其余为Mg元素及不可避免的杂质。本发明的Mg‑Pr系镁合金的力学性能、耐腐蚀性能优异，可用于制备多种可降解医用植入材料和器械，包括制备可降解支架、可降解骨科用植入物、可降解缝合/吻合/封堵植入物、齿科材料。

Description

一种医用可降解Mg-Pr系镁合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于医用金属材料领域，具体涉及一种医用可降解Mg-Pr系镁合金及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，以镁及镁合金为代表的可降解金属医用植入材料发展迅速，成为材料学、生物学和医学等交叉学科的研究热点。由可降解镁合金制成的植入器械覆盖骨科、心血管、气管和胃肠吻合等领域，并陆续有相关植入器械获批上市。与传统金属植入材料相比，镁合金作为植入材料和器械具有以下优势：(1)镁是人体所需的宏量元素，与生命维持和身体健康密切相关；(2)镁合金具有高的比强度、比刚度及与人骨相近的密度和弹性模量，可有效避免“应力遮挡”；(3)镁合金在体液环境下易腐蚀，可在体降解和吸收，避免二次手术；(4)用于骨相关领域，镁具有促进成骨的效果，作为血管支架，镁合金支架具有低血栓风险和低的新生粥样硬化风险。

然而，镁合金的力学性能仍明显低于不锈钢、钛合金和钴铬合金等传统金属植入材料，这也限制了其仅能用于一些非承重或者承重较小的部位。可快速降解既是镁合金的优势，同时也可能是其风险所在。镁合金快速降解产生的氢气可能带来不利的组织学反应。在力的作用下，镁合金的腐蚀可能加剧，有可能导致严重的局部腐蚀，使得器械过早丢失力学支撑，最终导致植入失败。此外，镁合金中合金元素释放过多或者释放过快也可能带来潜在的安全性问题。而且，镁合金中的Fe、Cu、Ni和Co等杂质对耐蚀性十分有害，应严格控制这些有害杂质的含量。

目前，欧洲上市的镁合金骨钉和血管支架采用WE43镁稀土合金，含有7wt.％的稀土(Y、Nd、Gd和Pr等)。近来，德国学者检测到以上混合稀土在动物脏器积累，可能增加脏器负担，存在长期生物安全性隐患，提示医用镁稀土合金设计应该考虑控制稀土的种类和用量，探索材料“素化”。可见，通过添加适宜、少量的合金元素，控制有害杂质含量，获得最大的力学性能和腐蚀抗力收益，兼顾机械性能和腐蚀行为的匹配关系，提高植入材料和器械的安全性和有效性是新型医用镁合金材料的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种高纯度、高强度、高耐蚀和高度生物相容的医用可降解Mg-Pr系镁合金及其制备方法与应用；本发明有效减少稀土合金元素种类，降低总合金元素含量，同时提升了腐蚀性能和生物相容性，获得的合金降解缓慢且均匀，力学衰退规律与组织修复进程匹配，降解产物具有促成骨、促愈合和抗感染等生物学功效，可作为医用植入材料用于多种生理环境。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种医用可降解Mg-Pr系镁合金，其成分组成包括0.05～7wt.％Pr、0～6wt.％Zn和0～0.4wt.％Zr，总的合金元素含量不超过7wt.％，其余为Mg元素及不可避免的杂质，总的杂质含量不超过0.02wt.％，不可避免的杂质包括Fe、Cu、Ni、Co、Si、Mn和Al等。

作为本发明的进一步改进，所述医用可降解Mg-Pr系镁合金含有0.05～1wt.％Pr，优选含有0.05～0.5wt.％Pr，其余为Mg元素及不可避免的杂质，单一一种杂质的浓度不超过50ppm，总的杂质含量不超过0.02wt.％。

作为本发明的进一步改进，所述医用可降解Mg-Pr系镁合金含有0.05～1wt.％Pr和0.05～3wt.％Zn，其余为Mg元素及不可避免的杂质，单一一种杂质的浓度不超过50ppm，总的杂质含量不超过0.02wt.％。

作为本发明的进一步改进，所述医用可降解Mg-Pr系镁合金含有0.05～1wt.％Pr和0.05～0.4wt.％Zr，其余为Mg元素及不可避免的杂质，单一一种杂质的浓度不超过50ppm，总的杂质含量不超过0.02wt.％。

作为本发明的进一步改进，所述医用可降解Mg-Pr系镁合金含有0.05～1wt.％Pr，0.05～3wt.％Zn和0.05～0.4wt.％Zr，其余为Mg元素及不可避免的杂质，单一一种杂质的浓度不超过50ppm，总的杂质含量不超过0.02wt.％。

所述各组分中的Mg、Pr、Zn和Zr来自纯度大于等于99.9wt.％的纯金属，或者来自单一杂质含量均低于100ppm的Mg-Pr、Mg-Zn和Mg-Zr中间合金。

上述医用可降解Mg-Pr系镁合金的制备方法，包括下述步骤：

(1)按照合金成分及配比，称取Mg、Pr、Zn、Zr原料；或者按照合金成分及配比，称取Mg-Pr中间合金、Mg-Zn中间合金和Mg-Zr中间合金；

(2)将步骤(1)中称取好的原料充分混合，在Ar气氛保护下，或在CO₂和SF₆混合气氛保护下，进行熔炼，然后经浇注、冷却，到得Mg-Pr系镁合金铸锭。

步骤(2)中，所述熔炼在坩埚中进行，优选钽坩埚，目的在于减少熔炼过程中的杂质引入；在熔炼前抽真空至低于10^-2Pa后，通入保护气体，采用的熔炼温度为700～850℃，获得均匀的熔体，浇注到模具中，冷却后获得Mg-Pr系镁合金铸锭。所述冷却可为随炉冷却方式，或水冷、强制对流等激冷方式。

上述医用可降解Mg-Pr系镁合金的制备方法，还可进一步对所述Mg-Pr系镁合金铸锭进行塑性加工。

所述塑性加工包括挤压、轧制或者拉拔处理，得到医用可降解Mg-Pr系镁合金棒材、板材、管材或丝材。

上述医用可降解Mg-Pr系镁合金的制备方法，在进行所述塑性加工之前还可对所述Mg-Pr系镁合金铸锭进行均匀化/固溶处理。

所述均匀化/固溶处理的工艺条件为：温度400～530℃，确保铸锭芯部加热到处理温度，并保证充分的保温时间，随后铸锭随炉冷却或水冷。均匀化/固溶处理的时间根据铸锭尺寸进行确定，如直径50mm的铸锭的热处理时间为4～5h。均匀化/固溶处理之前，先去除Mg-Pr系镁合金铸锭表面的脏污和氧化层。

所述挤压除常规挤压外，还包括等径角挤压(ECAP)、高压扭转(HPT)和循环挤压(CEC)等大塑性变形技术(SPD，severe plastic deformation)。所述挤压的工艺条件为：挤压温度200～400℃，挤压比在8～50。

所述轧制的工艺条件为：轧制温度200～400℃，单道次轧制的变形量在5～30％。

本发明提供的医用可降解Mg-Pr系镁合金，平均晶粒尺寸为0.1～100μm，屈服强度大于等于200MPa，抗拉强度大于等于250MPa，断裂延伸率为3～30％，在生理体液或者血液环境中的腐蚀降解速率不大于0.5mm/y。

本发明还提供了上述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解医用植入物中的应用，所述植入物包括植入材料和植入器械，适用于骨科、心血管、消化道、泌尿系统和呼吸系统等多种生理环境。

所述应用，包括下述(1)～(4)中的任一种：

(1)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解支架中的应用，所述支架包括血管支架、鼻腔支架、食道支架、肠道支架、气管支架、胆道支架、胰管支架、神经导管/支架、尿道支架和前列腺支架中的至少一种；

(2)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解骨科用植入物中的应用，所述骨科植入物包括骨板、骨钉、骨棒、脊柱内固定器材、椎间融合器、结扎丝、聚髌器、骨蜡、长骨修复材料、骨填充材料、膜补片、骨组织修复支架、髓内针和接骨套中的至少一种；

(3)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解缝合/吻合/封堵植入物中的应用，所述可降解缝合/吻合/封堵植入物包括血管夹、管腔内封堵器、胃肠吻合器、可吸收缝合线、皮肤缝合钉和医用拉链中的至少一种；

(4)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备齿科材料中的应用，所述齿科材料包括齿科植入材料、组织诱导再生膜和牙齿充填材料中的至少一种。

上述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解支架中的应用，还可在支架表面增设可降解聚合物涂层，所述涂层中还可以搭载抗增生、抗血栓和促内皮的活性药物。所述可降解聚合物优选自聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚丙烯酸酯、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸酯、聚水杨酸酐脂或聚乳酸乙醇酸共聚物中的至少一种。所述抗增生药物选自紫杉醇、紫杉醇衍生物、雷帕霉素或雷帕霉素衍生物中的至少一种。所述抗血栓药物选自抗凝血药、抗血小板药或溶血栓药物中的至少一种。所述促内皮化药物选自血管内皮生长因子、成纤维细胞生长因子、粒细胞集落刺激因子、雌激素或他汀类药物中的至少一种。

本发明的原理是：

(1)镨(Pr)是镧系元素中的一种，属于轻稀土；从材料学角度，Pr在Mg中的最大固溶度为0.6wt.％，在室温下几乎没有固溶度，因此少量Pr的加入就可以在Mg中形成丰富的第二相，便于根据需求调控合金显微组织；从力学角度，Pr在Mg中可以起到明显的细晶强化作用(同时提升强度和塑性)，析出的Mg₁₂Pr颗粒的第二相强化/弥散强化作用也可以显著提升材料力学性能；从腐蚀学角度，Pr可以除气精炼、净化熔体，去除对耐蚀性不利的Fe、Cu、Ni和Co等杂质，Pr还可以提升Mg的热力学稳定性，也可能参与腐蚀产物层的构建，并从以上几个方面对耐蚀性作出贡献；因此，少量的Pr(≤1wt.％)的添加就已经可以明显强化材料，改善力学性能，获得优异的耐蚀性；同时，稀土种类和用量的减少也有利于提升植入材料和器械的安全性；

(2)锌(Zn)能促进细胞的更新，可增强人体的免疫能力，维持肌体的生长和发育，Zn是维持生命正常活动的关键因素，Zn缺损可能导致人体所有的生理机能紊乱；Zn与骨代谢密切相关，可以通过调节成骨细胞蛋白合成，提高输运ATP酶活性来刺激骨形成，Zn也可刺激成骨细胞相关基因(如Runx2、I型胶原、ALP和OPN等)表达来调节成骨细胞的分化行为；此外，Zn还具有抗菌和抗肿瘤等生物学功效；Zn是镁合金中的重要合金强化元素之一，通过固溶或者时效处理能够大幅度提高镁的机械性能，同时Zn的加入可以提高镁的腐蚀电位，具有稳定镁腐蚀产物膜的作用，可以提高镁的降解性能，适量的Zn添加(≤6wt.％)可明显改善Mg的力学性能和腐蚀抗力，作为Mg-Pr合金中辅助合金元素，还可进一步降低其用量至≤3wt.％，同样保持优异的性能；

(3)锆(Zr)是镁合金中常用的合金化元素，它主要起到晶粒细化剂和组织调控的作用，其添加量一般不超过1wt.％，本发明中控制其添加量≤0.4wt.％，就可以起到明显的晶粒细化作用；

(4)Mg-Pr系镁合金以少量的单一稀土Pr作为主要强化元素，配合少量Zn和Zr的添加，可以在较低合金元素使用条件下获取最大的力学性能和腐蚀抗力提升；Zn和Zr作为Mg-Pr合金中的辅助合金元素，可以选择性地进行添加，主要目的是进一步调控组织和性能，降低Mg-Pr系镁合金中Pr的使用量，有利于控制总的合金元素在较低水平；同时，从原材料选用、容器使用、熔炼、浇注和冷热加工过程等方面，全流程严格控制对耐蚀性不利的Fe、Cu、Ni和Co等杂质含量，提高Mg-Pr系镁合金纯度，提升腐蚀的均匀性，避免或减少局部腐蚀的发生和发展。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明的Mg-Pr系镁合金易制备和易加工，成本低廉，容易实现大规模工业生产，能保证成分和性能稳定。

(2)本发明的Mg-Pr系镁合金的力学性能优异，屈服强度大于等于200MPa，抗拉强度大于等于250MPa，断裂延伸率3～30％，配合适当的热处理和冷热塑性加工，屈服强度可达到300MPa以上，抗拉强度可达到350MPa以上。

(3)本发明的Mg-Pr系镁合金的耐腐蚀性能优异，在37℃的Hank’s模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/y，更进一步，严格控制杂质含量和第二相数量、尺寸和分布后，腐蚀速率可小于0.2mm/y，可以在6～20个月内完全降解，满足多种应用场合需求。

(4)Mg-Pr系镁合金可用于制备多种可降解医用植入材料和器械，适用于骨科、心血管、消化道、泌尿系统和呼吸系统等多种生理环境。

(5)与目前的医用镁稀土合金相比，Mg-Pr系镁合金纯度更高，成分更为简单，稀土使用量更低，并且综合性能更加突出，由Mg-Pr系镁合金制成的植入材料和器械的安全性和有效性有望更优。

附图说明

图1为铸态Mg-Pr系镁合金的显微组织。

图2为Mg-Pr系镁合金经过热处理和挤压之后的金相组织。

图3为Mg-Pr-Zn-Zr系列镁合金的抗菌效果。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但是，不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语属于本发明的技术领域常用的专业术语，与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在限制本发明。

实施例和对比例中进行以下项目检测，对应的具体检测方法如下：

(1)显微组织

使用日本理学Rigaku DMAX 2400X射线衍仪分析材料的物相组成。测试条件为CuK_α辐射，管电压40kV，管电流100mA，扫描范围为10-90°，扫描速度为2°/min。在JADE软件中对比PDF卡片，确认相组成和对应的晶体参数。打磨抛光后的合金使用4％的硝酸酒精溶液浸蚀，在Olympus BX51M金相显微镜下观察和拍照。

(2)力学性能

拉伸和压缩实验在INSTRON万能材料试验机上进行，按照ASTM-E8-04切割标准拉伸试样，参考ASTM E9-89a(2000)标准切割尺寸为Ф3.5mm×7mm的压缩试样，测试温度为室温，拉伸和压缩测试的速率均为1mm/min(或应变率1×10^-4s^-1)。从拉伸和压缩曲线上分别获得拉伸屈服强度(TYS)、抗拉强度(UTS)、延伸率(El.)、压缩屈服强度(CYS)、抗压强度(UCS)和压缩应变(CS)数据。

(3)腐蚀行为

浸泡腐蚀测试参照ASTM-G31-72标准进行，浸泡比例为20mL/cm²。模拟体液选用Hank’s溶液，保持溶液恒温(37±0.5℃)，定时更换新鲜的模拟体液。在预定的时间点取出试样，按照ASTM-G-90标准，在浓度为200g/L的CrO₃水溶液中超声清洗，去除材料表面腐蚀产物，干燥后进行称重，计算样品的失重率ΔW(mg/cm²/d)，按照公式CR＝3.65ΔW/ρ，计算样品腐蚀速率，其中ρ是金属材料密度(g/cm³)。

(4)体外生物相容性

打磨抛光后的样品经紫外照射灭菌后备用，加入MEM培养基(含10％胎牛血清)放置于37℃、5％CO₂的培养箱中孵育24h，获得材料浸提液。选用MC3T3-E1细胞作为实验细胞，与合金浸提液共培养1、3和5d后，采用cck-8法测定细胞活度，评估细胞毒性。

取浓度为10⁶CFU/mL的菌液100μL和100μL合金浸提液与800μL的无菌PBS混合，共同加入到96孔板中。对照孔仅含有100μL细菌悬浮液和900μL PBS，不添加合金浸提液。然后将孔板置于37℃、5％CO₂生化培养箱中进行培养24h，从每组中取100μL上述共培养液涂于备好的琼脂平板上，每组重复涂板三次，培养箱中继续培养24小时后，计数每组涂板的菌落数目，与空白对照比较，计算抑菌率。

(5)体内生物相容性

动物试验样品

经过Co60射线灭菌后(25kGy)备用，选择成年新西兰大白兔(2-3kg)作为动物模型，动物经3％戊巴比妥(1mL/kg)麻醉后剃毛、备皮，逐层切开手术部位，分离肌肉和骨膜，用骨科钻在股骨干上钻取

的圆孔，植入材料，逐层缝合。术后，观察动物状态，采集动物血液进行血常规和血生化分析，评估脏器功能和系统毒性。在预定的时间点处死动物，进行micro-CT检查和组织切片检查，评估材料在体降解速度和组织学反应。

以下结合具体实施例，参照对比例，对本发明作进一步详细说明。

实施例1：制备高纯度Mg-Pr系镁合金铸锭

选用高纯Mg(99.99wt.％)、高纯Pr(99.9wt.％)、高纯Zn(99.99wt.％)和高纯Mg-25Zr中间合金作为原料，选用钽坩埚，在中频感应炉中进行熔炼。抽真空至10^-2Pa，充入高纯的Ar气(或CO₂+SF₆混合气体)，加热升温至800-850℃，搅拌熔体，均匀的熔体浇注到经过200℃预热的石墨模具中，随炉冷却后获得多种成分及配比的Mg-Pr系镁合金铸锭，包括Mg-Pr二元合金、Mg-Pr-Zn三元合金、Mg-Pr-Zr三元合金和Mg-Pr-Zn-Zr四元合金。成分检测显示所述Mg-Pr系镁合金中Fe、Cu、Ni和Co等杂质含量均低于50ppm，总的杂质含量均低于0.015wt.％，如表1所示。铸态Mg-Pr系镁合金的显微组织如图1所示，此处仅选择了代表性的几种合金进行展示说明。随着Pr含量的增加，晶粒逐渐细化，同时Mg₁₂Pr第二相析出，第二相逐渐增加。添加Zn和Zr之后，晶粒显著细化，第二相颗粒(除Mg₁₂Pr，可能还有MgZn、Mg₂Zn₃和PrZn₂等相)在晶界和晶内析出，随着合金元素总量的增加，第二相种类和数量增多。

表1 Mg-Pr系镁合金名义成分和实际成分(wt.％)

实施例2：制备挤压态Mg-Pr系镁合金

首先按照实施例1中的步骤制备得到高纯度Mg-Pr系镁合金铸锭，包括典型的Mg-Pr二元合金、Mg-Pr-Zn三元合金、Mg-Pr-Zr三元合金和Mg-Pr-Zn-Zr四元合金，然后在400～500℃进行适当的固溶/均匀化处理，保温5h后水冷。经过以上热处理的铸锭预热至350℃，在350℃下进行挤压，选用的挤压比为17，获得Mg-Pr系镁合金挤压棒材。挤压后的Mg-Pr系镁合金的显微组织如图2所示，组织呈现变形组织特点，晶粒扭曲，粗大的第二相得到破碎，第二相分布均匀。室温力学性能测试结果如表2所示，此实施例中获得的Mg-Pr系镁合金拉伸屈服强度(TYS)在255-341MPa，抗拉强度(UTS)在289-365MPa，拉伸延伸率(El.)在4.6-11.1％；压缩屈服强度(CYS)在145-204MPa，压缩强度(UCS)在491-534MPa，压缩应变(CS)在10.0-10.8％。Mg-Pr系镁合金的力学性能优异，可以在很宽的范围内进行调整，使用SPD技术可进一步提升合金性能。上述Mg-Pr系镁合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率为0.05-0.5mm/y，且均为均匀腐蚀模式，所有合金对L929和MC3T3-E1细胞均无细胞毒性，生物相容性良好。Mg-Pr系镁合金适合制作骨填充材料、骨板、骨钉、组织工程支架、血管支架、胆管支架、气管支架、食道支架和尿道支架等植入材料和器械。

表2挤压态Mg-Pr系镁合金的拉伸和压缩力学性能

实施例3

按照实施例1和实施例2的方法制备相应的Mg-Pr系镁合金，考察Mg-Pr系镁合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果，相关结果如图3所示(TC4为Ti-6Al-4V合金，HP-Mg代表纯度为99.99wt.％的高纯镁)。Mg-Pr系镁合金对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都显示出抗菌效果，对金黄色葡萄球菌的抑制效果比大肠杆菌的抑制效果更加明显。表3中给出了Mg-Pr系镁合金的抗菌效率，可以看到增加Zn含量有利于提升抗菌效果。Mg-Pr系镁合金具有明显的抗菌效果，可降低使用过程中的材料/器械相关感染，带来明显收益。

表3 Mg-Pr系镁合金的抗菌效率

实施例4

按照实施例1和实施例2的方法制备出Mg-0.4Pr二元合金，Mg-0.4Pr二元合金的TYS、UTS和El.分别为310MPa、363MPa和4.7％。Mg-0.4Pr二元合金在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率仅为0.05mm/y，其腐蚀形貌均匀，未出现明显的或严重的局部腐蚀。Mg-0.4Pr二元合金对MC3T3-E1细胞无毒性，将Mg-0.4Pr二元合金植入兔子股骨干，考察合金的在体降解行为和生物相容性。Mg-0.4Pr二元合金植入兔子股骨干5个月后的体积丢失和重量丢失分别为47％和42％，材料整体降解均匀，降解速率适中。新生骨组织可以直接依附于材料表面生长，植入物没有导致骨组织坏死或者异常，无局部或系统毒性，材料体内外生物相容性良好。

实施例5

按照实施例1和实施例2的方法制备出Mg-1Pr-0.4Zr三元合金，Mg-1Pr-0.4Zr三元合金的TYS、UTS和El.分别为322MPa、342MPa和10.8％，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率为0.42mm/y。Mg-1Pr-0.4Zr三元合金对MC3T3-E1细胞无毒性，将Mg-1Pr-0.4Zr三元合金制成骨钉，植入兔子股骨髁，用于固定兔子髁内骨折，考察Mg-1Pr-0.4Zr骨钉对骨折固定和修复的效果，研究其在体降解行为和生物相容性。Mg-1Pr-0.4Zr螺钉对骨折固定的效果良好，骨折逐渐愈合，2个月内完全修复。Mg-1Pr-0.4Zr螺钉植入兔子股骨髁5个月后的体积丢失和重量丢失分别为41％和39％，Mg-1Pr-0.4Zr螺钉整体降解均匀，降解速率适中。新生骨组织可以直接依附于螺钉表面生长，螺钉没有导致骨组织坏死或者异常，无局部或系统毒性。Mg-1Pr-0.4Zr螺钉在动物模型中用于骨折固定的安全性和有效性良好。

实施例6

将实施例1制备得到的Mg-0.25Pr-1Zn三元合金铸锭在450℃均匀化处理6h，水淬冷却。将热处理后的铸锭加工成厚度为12mm的板材，在300-350℃进行热轧，每道次间再回炉加热，控制每道次的变形量在15–30％，最终获得厚度为0.2-2mm的板材/箔材。沿轧制方向，Mg-0.25Pr-1Zn三元合金板材/箔材的TYS为280MPa，UTS为340MPa，El.为16.8％，板材/箔材兼具优异的强度和塑性，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率为0.26mm/y，腐蚀缓慢且均匀，未出现严重的局部腐蚀。Mg-0.25Pr-1Zn三元合金板材/箔材的综合性能可满足多种可降解植入器械的需求，可进一步加工成产品用于骨板、膜补片和诱导组织再生膜等。

实施例7

按照实施例1和实施例2的方法制备出Mg-0.25Pr-1Zn三元合金挤压棒材，将棒材加工成直径为20mm，高度为15mm的无缝挤压管坯，在350℃挤压获得外径为9mm，壁厚为1mm的无缝镁管，该镁管可直接用于加工生理管腔内使用的支架，也可用于长骨缺损修复。进一步地，在300-400℃对镁管进行拉拔处理，拉拔道次间在300℃附近进行退火处理，最终获得外径在2-3mm，壁厚在150-200μm的毛细管材。管材的TYS为200MPa，UTS为260MPa，延伸率在25.3％，具有中等强度和良好的塑性变形能力，可满足支架对径向支撑力和扩张变形量的要求。Mg-0.25Pr-1Zn三元合金微管在Hank’s溶液中腐蚀均匀，腐蚀速率小于0.2mm/y，满足可降解支架类植入物需求，可通过激光切割/雕刻成血管支架、气管支架和胆道支架等。

实施例8

按照实施例1和实施例2的方法制备低合金化Mg-0.5Pr-2Zn-0.4Zr四元合金挤压棒坯，再在350℃进行挤压，获得直径为1.5-2mm的丝材。对该丝材进行多道次拉拔加工，道次间在350℃退火，最终获得直径在0.1-0.8mm的微细丝材。该丝材的典型力学性能为：TYS为200MPa，UTS为250MPa，延伸率为20％。该丝材可直接用作可降解/可吸收缝合线，也可采用该丝材编制可降解支架和导管类产品，用于血管支架、气管支架和胆道支架等植介入器械。

对比例1

选用高纯Mg(99.99wt.％)作为原料，选用钽坩埚，在中频感应炉中进行熔炼。抽真空至10^-2Pa，充入高纯的Ar气作为保护气体，加热升温至800℃熔化原料，搅拌熔体，均匀的熔体浇注到经200℃预热的石墨模具中，随炉冷却后获得高纯Mg铸锭。高纯Mg由均匀的单一α相构成，单个杂质含量均低于50ppm，总杂质含量低于0.02wt.％。铸态的高纯Mg在300℃挤压，控制挤压比为17，获得高纯Mg挤压棒材。挤压态高纯Mg的TYS为68MPa，UTS为156MPa，El.为9.6％，CYS为49MPa，UCS为265MPa，CS为16.8％，在Hank’s模拟体液中的腐蚀速率为0.10mm/y。与实施例1-8对比，高纯Mg的力学性能明显低于Mg-Pr系镁合金，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制效果并不明显，很难将高纯Mg进一步加工成微管和丝材。

对比例2

选用高纯Mg(99.99wt.％)和高纯Pr(99.9wt.％)作为原料，选用钽坩埚，在中频感应炉中进行熔炼。抽真空至10^-2Pa，充入高纯的Ar气作为保护气体，加热升温至850℃熔化原料，搅拌熔体，均匀的熔体浇注到经200℃预热的石墨模具中，随炉冷却后获得Mg-10Pr二元合金铸锭。Mg-10Pr二元合金由α-Mg和Mg₁₂Pr相构成，单个杂质含量均低于50ppm，总杂质含量低于0.02wt.％。因Pr含量过高，Mg-10Pr合金中含有丰富的Mg₁₂Pr第二相颗粒，并且第二相粗大。铸态的Mg-10Pr合金在380℃挤压，控制挤压比为17，获得Mg-10Pr挤压棒材，挤压后的Mg₁₂Pr相仍然粗大。挤压态Mg-10Pr合金的TYS为215MPa，UTS为240MPa，El.为13.6％，在Hank’s溶液中的腐蚀速率为1.2mm/y，腐蚀过快，并出现严重的局部腐蚀。与实施例1-8对比，过高含量的Pr(10wt.％)对力学性能的贡献并不理想，并且导致材料腐蚀过快。

对比例3

选用普通纯度的纯Mg(99.7wt.％)和普通纯度的纯Pr(99wt.％)作为原料，选用钽坩埚，在中频感应炉中进行熔炼。抽真空至10^-2Pa，充入高纯的Ar气作为保护气体，加热升温至850℃熔化原料，搅拌熔体，均匀的熔体浇注到经200℃预热的石墨模具中，随炉冷却后获得Mg-1.5Pr二元合金铸锭。Mg-1.5Pr二元合金由α-Mg和Mg₁₂Pr相构成，主要杂质包括350ppmFe、45ppm Cu、21ppm Ni和59ppm Si，剩余杂质中单一杂质含量均低于20ppm，总杂质含量为0.048wt.％，明显高于本发明中要求的0.02wt.％。该纯度的Mg-1.5Pr合金的TYS为298MPa，UTS为342MPa，El.为5.4％，在Hank’s溶液中的腐蚀速率为2.3mm/y，腐蚀过快，并且出现严重的局部腐蚀，不适合作为植入材料使用。与实施例1-8对比，本对比例中低纯度Mg-1.5Pr合金的力学性能与实施例中高纯Mg-1.5Pr合金无明显差异，但是高的杂质含量导致其腐蚀速率显著高于高纯度的Mg-Pr系镁合金。

对比例4

欧洲上市的镁合金骨钉和血管支架采用WE43镁稀土合金。本对比例中购买了商业WE43镁合金铸锭，元素分析显示WE43合金成分复杂，含有4.1wt.％Y、2.3wt.％Nd、0.45wt.％Gd，0.31wt.％Zr和小于0.1wt.％的其他稀土，总的稀土使用量为7.17wt.％，总的杂质含量低于0.02wt.％。铸锭在380℃下挤压，控制挤压比为17，获得WE43挤压棒材。挤压态WE43合金中含有丰富的第二相，XRD测试表明除α-Mg相外，还含有Mg₄₁Nd₅和Mg₂₄Y₅等相。挤压态WE43合金的TYS为314MPa，UTS为335MPa，El.为14.6％，在Hank’s溶液中的腐蚀速率为0.43mm/y。与实施例1-6对比，本发明挤压态的Mg-Pr系镁合金的力学性能和腐蚀抗力与挤压态WE43相当甚至更优。本发明的Mg-Pr系镁合金使用的稀土种类单一(Pr)，并且稀土的添加量更低，总的合金元素含量也更低，更有利于降低材料和器械的潜在生物安全性风险。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述镁合金的成分组成包括0.05～7wt.％Pr、0～6wt.％Zn和0～0.4wt.％Zr，总的合金元素含量不超过7wt.％，其余为Mg元素及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述镁合金含有0.05～1wt.％Pr，其余为Mg元素及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述镁合金含有0.05～1wt.％Pr和0.05～3wt.％Zn，其余为Mg元素及不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述镁合金含有0.05～1wt.％Pr和0.05～0.4wt.％Zr，其余为Mg元素及不可避免的杂质。

5.根据权利要求1所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述镁合金含有0.05～1wt.％Pr、0.05～3wt.％Zn和0.05～0.4wt.％Zr，其余为Mg元素及不可避免的杂质。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金，其特征在于：所述不可避免的杂质，单一一种杂质的浓度不超过50ppm，总的杂质含量不超过0.02wt.％；各组分中的Mg、Pr、Zn和Zr来自纯度大于等于99.9wt.％的纯金属，或者来自单一杂质含量均低于100ppm的Mg-Pr、Mg-Zn和Mg-Zr中间合金。

7.一种权利要求1～6中任一项所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)按照合金成分及配比，称取Mg、Pr、Zn、Zr原料；或者按照合金成分及配比，称取Mg-Pr中间合金、Mg-Zn中间合金和Mg-Zr中间合金；

(2)将步骤(1)中称取好的原料充分混合，在Ar气氛保护下，或在CO₂和SF₆混合气氛保护下，进行熔炼，然后经浇注、冷却，到得Mg-Pr系镁合金铸锭；

(3)将步骤(2)获得的铸锭在400～530℃进行均匀化/固溶处理，热处理后的铸锭随炉冷却或水冷；

(4)将步骤(3)获得的铸锭在200～400℃条件下进行挤压、轧制或者拉拔处理，得到Mg-Pr系镁合金棒材、板材、管材或丝材。

8.一种权利要求1～6中任一项所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金的应用，其特征在于：所述镁合金在制备可降解医用植入物中的应用，所述植入物包括植入材料和植入器械。

9.根据权利要求8所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金的应用，其特征在于：所述应用包括下述(1)～(4)中的任一种：

(1)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解支架中的应用，所述支架包括血管支架、鼻腔支架、食道支架、肠道支架、气管支架、胆道支架、胰管支架、神经导管/支架、尿道支架和前列腺支架中的至少一种；

(2)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解骨科用植入物中的应用，所述骨科植入物包括骨板、骨钉、骨棒、脊柱内固定器材、椎间融合器、结扎丝、聚髌器、骨蜡、长骨修复材料、骨填充材料、膜补片、骨组织修复支架、髓内针和接骨套中的至少一种；

(3)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解缝合/吻合/封堵植入物中的应用，所述可降解缝合/吻合/封堵植入物包括血管夹、管腔内封堵器、胃肠吻合器、可吸收缝合线、皮肤缝合钉和医用拉链中的至少一种；

(4)所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备齿科材料中的应用，所述齿科材料包括齿科植入材料、组织诱导再生膜和牙齿充填材料中的至少一种。

10.根据权利要求9所述的医用可降解Mg-Pr系镁合金的应用，其特征在于：所述医用可降解Mg-Pr系镁合金在制备可降解支架中的应用，还可在支架表面增设可降解聚合物涂层，所述涂层中还可以搭载抗增生、抗血栓或促内皮的活性药物。

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