[发明专利]一种具有自生梯度结构的镁合金及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种具有自生梯度结构的镁合金及其制备方法和应用，所述具有自生梯度结构的镁合金主要由Mg和X两种元素组成。所述制备方法为：按组分配比，取原料放入耐热容器中；在保护气氛下，将所述耐热容器加热，待原料全部熔化成熔体，降温并静置保温；对熔体指定部位进行降温，控制熔体内部与表面产生温度梯度，使熔点高的第二相先凝固并聚集在铸锭表面形成耐蚀层，熔点低的Mg基体后凝固；铸锭冷却，得到具有自生梯度结构的镁合金材料。还公开了将具有自生梯度结构的镁合金用于生物医用领域的应用。本发明中的具有自生梯度结构的镁合金的表层由于第二相聚集形成了耐腐蚀层，降低了该镁合金的腐蚀速率，能够满足医用镁合金的耐腐蚀性能要求。

技术领域

本发明涉及镁合金制备领域，具体涉及一种具有自生梯度结构的镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

医用不锈钢、镍钴铬合金和钛合金等金属硬组织植入材料已被成功应用于临床，特别是对骨组织受损的治疗中。但这些金属植入体内后会释放出具有毒性的金属离子，可能导致生物相容性差和严重的炎症反应引起组织损伤。这些金属植入体的弹性模量与天然骨相差较大，会导致应力遮蔽效应，减少新骨生长与重建所必需的应力刺激，从而影响植入物的可靠性。再者，体液对金属植入材料的腐蚀难以避免，尽管有些金属元素在发挥细胞功能或是维生素合成中是必不可少的，但是，当含量高于一定值，人体就不能接受。体液腐蚀会导致金属植入材料逐步损失，进而影响材料性能，更重要的是腐蚀的产物从金属材料表面逸出进入生物体组织，可能导致不希望的结果。在骨组织愈合的12-18星期内，螺钉、针和其他骨科植入物在承重期间应保持力学性能完整。因此，植入物必须兼具与人骨接近的高强度和低模量，以避免应力遮挡效应。从生物医学可降解骨科植入材料的应用角度，在合金的设计时，应兼顾该植入材料的生物相容性、力学性能及腐蚀性能。

镁及镁合金的密度为1.74g/cm³左右，与人体密骨质的密度(约1.75g/cm³)很相近，远远低于钛合金的密度(约4.47g/cm³)和不锈钢的密度(约7.8g/cm³)。镁及其合金，相比目前广泛应用的不锈钢、钛植入材料，具有可降解、质量轻，压缩屈服强度和弹性模量更接近皮质骨的特点，可以降低应力遮挡和骨密度损失。生物医用镁合金在植入体内期间，可以在初期提供最佳的固定性能而不被破坏。此外，Mg是人体中继K，Ca和Na之后含量第四丰富的阳离子，几乎有一半的Mg存储在骨中，具有骨传导性，能促进新骨生成。而且，生物医用镁合金的副产物无毒并且能通过肾脏进行新陈代谢而排泄出体外。镁合金的以上优异性能使得其成为骨科内固定植入材料的绝佳选择，已经引起了广泛的关注，近年来，掀起了研究热潮。但是，由于镁合金在人体内会快速降解，因此产生了许多负面影响。比如：镁合金的降解速度太快，在使用过程中会因为承载能力不够或降解速度过快导致生物植入材料失效，在植入材料失去机械完整性以前，骨组织没有足够长的时间完成愈合；在降解过程中，镁合金析氢速度太快，超过人体耐受度，会导致皮下气泡的形成，引起组织坏死。这两种情况严重影响了镁合金生物材料在医学领域中的应用。

目前，对医用镁合金主要采用在镁合金表面添加涂层的方式来提高医用镁合金的抗腐蚀性能，控制医用镁合金的降解速率。但是，在镁合金的表面添加涂层存在镁合金与涂层的界面结合强度低，涂覆不均匀以及工序复杂等问题。一旦涂层产生裂缝，镁合金与涂层相结合的界面就容易出现剥落，这将引起镁合金植入材料的剧烈降解，使植入材料迅速丧失机械完整性和力学完整性，从而使得植入体迅速失效。

因此，在生物相容的前提下，如何制备耐腐蚀性能优良且工序简单、易于控制的生物医用镁合金，从而控制其在生理环境中的降解速率，是本领域技术人员的研究方向。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有自生梯度结构的镁合金，解决了外加涂层容易脱落和涂覆不均匀的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：