[发明专利]一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法，其步骤包括：A、将纯锌锭和纯镁锭在CO₂和SF₆混合气氛保护下进行熔炼，随后控制浇铸（冷却速度为600～800℃/s），获得含有三相共晶组织的锌合金铸锭，其中Mg元素的含量为0.3%～1.2wt%，余下为Zn；B、从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，在150～250℃进行8～16道次等通道转角挤压加工，获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。本发明基于形成的特殊的三相共晶结构，利用剧烈塑性加工进一步将其破碎细化，充分发挥了细晶强化和多尺寸多组元的协同强化作用，显著提高了锌基合金的强韧性，同时改善了其腐蚀行为。

技术领域

本发明涉及一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法，属于可降解金属加工技术领域。

背景技术

相比于传统不可降解（惰性）医用金属材料，如不锈钢、钛基合金、钴基合金和镍铬合金等，生物可降解金属具有突出的优点，包括：（1）良好的生物相容性；（2）可生物降解性，完成服役作用后即可在体内完全降解，且降解产物对人体无副作用；（3）植入体内无需进行二次手术取出，减轻了患者的痛苦，降低了二次手术的风险和医疗成本。因此，进入21世纪后，生物可降解金属受到了众多材料研究学者和医疗研究人员的青睐，被誉为是新一代革命性的生物医用金属材料。

根据可降解金属对金属材料生物降解能力和生物相容性的要求，可用作可降解金属的合金体系主要包括三类，分别是铁基合金、镁基合金和锌基合金【Y. Liu, et al.Advanced Functional Materials, 2019, 1805402】。当前广泛的研究集中于铁基合金和镁基合金，对锌基合金的研究较少。Fe是人体内必需的微量元素，成人一天的建议摄入量为8～18毫克。铁基合金具有良好的力学性能（强度和韧性），但其腐蚀速率过慢，通常在植入体内2年内难以完全降解。此外，铁基合金降解过程中产生的大量铁氧化合物恐难以在体内安全降解。Mg基合金具有优异的生物相容性，成人的建议摄入量为240～400毫克/天。镁基合金作为可降解金属存在的最大问题是其腐蚀速率过快，在植入人体的半年内就会因快速腐蚀而失去设计的力学功能。因此，无论是铁基合金还是镁基合金，需要通过进一步研究调控其腐蚀速率。

近年来，锌基合金作为可降解金属受到了人们的广泛研究。Zn的标准电极电位为－0.76V，介于Mg（－2.37V）和Fe（－0.44V）元素之间，具有适宜的降解速率。Zn是人体的必须营养元素，同时也是人体内第二多的过渡金属元素，具有良好的生物相容性，对于人体免疫系统和神经系统具有至关重要的作用。婴儿每日需补充2～3毫克锌，成人每日需补充10～15毫克锌。因此，锌基合金作为可降解金属材料，更加符合临床的要求，具有较大应用潜力，有望发展成为新一代可降解植入器件材料【郑玉峰等，发明专利，授权公告号：CN104212998B】。

然而，作为六方结构的金属，锌基合金的力学性能相对较差，限制了其作为可降解金属的应用潜力。因此，本发明针对特定成分的Zn-Mg二元合金，提出了一种采用控制凝固联合等通道转角挤压加工获得基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金及其制备方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于超细三相共晶组织增强的高强韧医用生物可降解锌合金的制备方法，其步骤包括：

A、将纯锌锭和纯镁锭在CO₂和SF₆混合气氛保护下进行熔炼，随后控制浇铸，获得含有三相共晶组织的锌合金铸锭；

B、从上述锌合金铸锭中切割出长方体或圆柱体坯料，进行多道次等通道转角挤压加工，获得组织超细化的高强韧医用生物可降解锌合金。

其中，所述锌合金中Mg元素的含量为0.3%～1.2wt%，余下为Zn。