[发明专利]Zr基生物医用合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Zr基生物医用合金及其制备方法，Zr基生物医用合金的重量百分比组成为：铌10.5～19％，钛0％～30％，余量为锆和不可避免的杂质元素。制备方法包括以下步骤：(1)按照配比称取原料，送入真空熔炼炉的反应容器中进行混合，在惰性气体的保护下进行多次真空熔炼，得到熔融反应液；(2)对反应容器的底部持续通冷水，使熔融反应液快速冷却，至温度降至室温后，得到Zr基生物医用合金。本发明的Zr基生物医用合金具有低模量，低磁化率和优异的力学性能等优点，不仅解决了植入体金属可能会造成的应力屏蔽问题，并且有利于减小金属基生物植入材料的磁化率，减小对MRI(核磁共振检测)伪影的影响。

技术领域

本发明属于金属基复合材料技术领域，具体涉及一种Zr基生物医用合金及其制备方法。

背景技术

生物医用材料是用于临床诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官或增进其功能的功能材料。生物医用材料和人体的器官以及医疗方面的器械有着关联,目前世界各地的众多学者在对其进行深入的研究,生物医用材料己经成为材料研究领域不可或缺的一部分。生物医用材料的一般性要求：(1)必须符合有关标准的规定，应具备无毒、无热原反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应、不干扰机体的免疫机制、具有良好的血液相容性和组织相容性等。(2)良好的生物稳定性。对于长期植入体内的生物医用材料，材料的结构性能必须稳定。(3)良好的机械性能。良好的机械性能是生物材料的关键因素之一，也是阻碍生物材料发展的重要因素之一。机械性能一般包括材料的强度、弹性、耐疲劳性、耐磨性、尺寸、成型加工性能等。

目前Ti及Ti合金在生物医用领域得到了广泛的应用，特别是对于β-Ti合金的研究与应用尤为突出。虽然β-Ti合金具有更低的弹性模量，但绝大部分仍高于人体骨骼(10-30GPa)的模量范围，容易造成应力屏蔽效应，不利于骨骼愈合。此外，随着医学检测技术的不断发展，特别是核磁共振技术的快速发展，对植入体材料提出了更高的性能要求，虽然Ti是顺磁性材料，磁性相对较低，但仍有许多报道提到钛合金植入体会影响核磁共振图像的质量，形成伪影区域。因此设计出一种力学性能与人体自然骨骼更加匹配，具有良好的生物相容性，以及低的磁化率的生物医用材料显得更加重要。

Zr元素与Ti元素在元素周期表内属于同一族，两者有许多类似的性质，从Zr-Ti二元相图中可以看出，在任何温度下，Zr和Ti都能够相互溶解。Zr单质具有非常优异的塑性，在生物医用合金领域，Zr是一种拥有优良的耐腐蚀性能、组织相容性好、无毒性的金属，常常被用作合金化元素添加进Ti合金中，提高合金的机械性能。此外，Zr具有比Ti更低的弹性模量及磁化率，因此，生物医用Zr合金具有非常广泛的应用前景，有望研究出更符合人体骨骼要求的替代材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低模量、低磁化率、具有优异的力学性能的Zr基生物医用合金及其制备方法，该合金作为生物医用材料能减小对核磁共振检测伪影的影响。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种Zr基生物医用合金，所述Zr基生物医用合金的重量百分比组成为：铌10.5～19％，钛0％～30％，余量为锆和不可避免的杂质元素。

优选的，所述Zr基生物医用合金的重量百分比组成为：铌14～18％，钛0％～16％，余量为锆和不可避免的杂质元素。

利用传统的实验方法进行合金设计时，往往要消耗大量的时间、浪费材料与资金，并且成功率较低。本发明利用材料科学计算CALPHAD方法结合第一性原理，对Ti-Nb-Zr三元体系进行了评估和成分预测，计算了Ti-Nb-Zr三元系的弹性模量，供了可靠的计算预测结果，再依据计算预测结果进行了大量熔炼试验，确定了以上成分的Zr基生物医用合金，弹性模量与人体骨骼更加匹配，防止产生应力屏蔽效应，有利于骨的愈合；力学性能好，耐腐蚀性能好，更加稳定，可以减轻生理环境对植入材料的腐蚀，降低诱发植入体周围炎症的概率，同时具有较低的磁化率，可以减轻合金植入材料对MRI成像的影响作用。