[发明专利]一种高强度可降解生物医用镁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型生物医用金属材料，具体指一种高强度可降解生物医用镁合金，同时还涉及该镁合金的制备方法。

技术背景

与生物陶瓷和生物高分子材料相比，生物医用金属材料具有高强度、良好的韧性和抗疲劳性能、易加工成型等优异性能，成为目前临床应用最广泛的材料。传统的医用金属材料有不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、钽铌锆合金以及贵金属等，它们植入人体后永久的保留在体内，已有的研究发现在生理腐蚀环境下长期使用不仅它们本身机械强度下降可能导致植入失效，而且溶出的金属离子(如V、Cu、Ni、Co、Al、Zn等)会使细胞出现炎性反应或坏死，因此迫切需要开发一种新型无毒可降解的生物医用金属材料。

镁及镁合金用作这种新型生物金属材料具有无可比拟的优势。首先，镁是人体仅次于钾的细胞内正离子，它参与体内一系列的新陈代谢过程，成人体内每日需镁量超过350mg，植入体内的镁合金材料不会产生毒副作用；其次，镁及镁合金在植入后几周或几个月后可被人体完全降解吸收，这正好符合了血管支架、骨板等材料“急用、临时”的设计初衷。因此，镁及镁合金用作生物医用材料具有巨大的发展潜力，引起了越来越多的人们的关注和研究。但是传统的镁及镁合金存在强度低、塑性差、含有毒元素(Al、Zn等)等不足，限制了它们在生物医用领域的应用。

发明内容

针对现有镁合金技术应用在生物医用领域存在的不足，本发明的目的是提供一种强度高、塑性好、可降解、无毒的新型生物医用镁合金。

本发明的另一个目的是提供所述镁合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高强度可降解生物医用镁合金，该镁合金各组分及其重量百分比为：2.5-6.5％的Y；1.2-3.5％的Nd；0.4-0.8％的Zr；余量为镁。

进一步地，其中Nd和Y总含量的重量百分比为4.5-8.5％；同时镁合金中杂质元素Fe、Al、Cu、Si和Ni的总量不大于0.05％。

本发明镁合金的制备方法包括如下步骤：

(1)制备原料选用工业纯镁、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Zr中间合金，先去除工业纯镁、Mg-Y、Mg-Nd和Mg-Zr中间合金表面氧化皮，然后放入丙酮溶液中进行超声波清洗，根据三种中间合金中Y、Nd和Zr的重量百分含量和需制备的镁合金中Y、Nd和Zr的重量百分比进行备料，并将原料预热至473-573K；

(2)在保护气氛下，将预热的工业纯镁升温使其全部熔化，控制镁液温度为1053-1073K，依次缓慢加入Mg-Y、Mg-Nd、Mg-Zr中间合金，只有当前一种中间合金完全熔化后才开始加下一种，加入过程中不断搅拌使其均匀；

(3)将第(2)步得到的合金熔体温度调整到1023-1033K，加大搅拌功率，撒入炉料总重量1-2％的精炼剂精炼5-8分钟，然后将合金熔体升温至1053-1073K，停止搅拌，静置10-20分钟；

(4)将合金熔体温度降至973-993K，撇去表面浮渣，在保护气氛下采用铜制模浇注，浇注后立即采用快速铜模冷却，冷却介质为液氮、饱和盐溶液或冰水混合物，冰水混合物中冰的含量能够确保冷却过程中始终有冰存在。

所述保护气氛为由体积百分含量为99.2-99.5％的氩气和0.5-0.8％的SF₆组成的混合气体；所述精炼剂由重量百分含量为90-95％的RJ-5熔剂和5-10％的无水Na₂B₄O₇粉末混合而成。

稀土镁合金具有成为新型生物医用材料的潜力。由于稀土元素独特的核外电子排布，在铸造过程中起到净化熔体、细化晶粒、提高铸造性能等作用，在镁合金中具有显著的固溶和时效强化作用，能够有效地提高镁合金的综合性能。当添加两种或多种稀土元素时，由于稀土元素之间的相互作用，可以彼此降低在镁中的固溶度，还能产生附加的强化效果。稀土也是人体内的微量元素，低剂量稀土元素不但对人体无害，还可促进生物体的生长发育，有利于提高机体免疫功能，具有抗氧化和抗诱变作用。

具体来讲，本发明的有益效果是：

(1)在纯镁中同时添加适量的稀土Y和Nd，既能提高合金的力学性能和加工性能，又不引入对人体有害元素，能够完全满足生物医用金属材料的要求。

(2)本发明Mg-Y-Nd-Zr镁合金晶粒细小，尺寸只有20-40μm，成分均匀，偏析少。室温下未经热处理强化和加工强化的铸态合金抗拉强度在220Mpa以上，延伸率在5％以上。