[发明专利]镁基合金泡沫

说明书

镁或镁合金泡沫的形态、微观结构、压缩行为和生物腐蚀性质使其用于可生物降解的生物医学、金属空气电池电极、氢存储和轻型运输应用。镁或镁合金泡沫通常很难制造，因为金属颗粒周围的强氧化层；然而，在本发明中，它们可以使用精确控制的热处理参数，经由基于莰烯的冷冻浇铸方法并加入石墨粉末来合成。平均孔隙率范围为45％至85％并且中值孔径为约数十至数百微米，这适合利用其增加表面积的生物和能量应用。基于使用莰烯作为挥发性溶剂的粉末‑浆料冷冻浇铸法的本发明还适用于其他金属泡沫，例如铁、铜或其他，以生产具有高支柱连接性的三维金属泡沫。

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2018年7月6日提交的美国专利申请62/694,953的权益，该申请与本说明书中引用的所有其他参考文献一起通过引用并入本文中。

背景技术

最近，镁基合金和复合材料已被广泛用于许多应用领域，例如医疗(例如植入物和支架)、运输(例如汽车和航空)和能源(例如电池和氢存储)，因为它们具有所需的出色的固有性质，包括良好的生物相容性、高比强度和高电化学反应性。

更有趣的是，由于多种原因，镁基材料的生物相容性优于其他金属生物材料(例如不锈钢，钛合金，钴铬基合金或其他)的生物相容性。首先，Mg²⁺(经由腐蚀形成)对于新陈代谢很重要并且对成骨也有好处。其次，镁的弹性模量(41-45吉帕)比常规的金属生物材料(例如对于不锈钢、钛合金和钴铬基合金为115-230吉帕)更接近人类皮质骨的弹性模量(例如约3-20吉帕)。由于常规的金属生物材料的弹性模量比人的骨高得多，因此长时间使用它们可能会导致骨逐渐分解。因此，镁基材料对于生物医学应用具有高度吸引力，特别是对于骨科设备例如骨植入物、螺钉和移植替代物。

最近针对多孔的镁基材料(或镁基泡沫)在骨组织应用中的特殊用途报道多个优点，这归因于其增加的组织向内生长和营养输送的表面积以及可调节的机械性质(例如杨氏模量)，这可以使它们与骨更加类似。

尽管由于镁或镁基合金泡沫固有的激进反应性，它们极难制造，它们只能使用某些复杂的方法例如空间固定器、真空发泡或熔模铸造来制造。

另一方面，冷冻浇铸是用于制造具有更好的形态可控性的镁基泡沫的极有前途的方法，因为该方法基本上经由低温溶剂干燥和高温粉末烧结的组合来生产复制泡沫。然而，经由基于水溶剂的常规冷冻浇铸成功制造镁基泡沫需要克服一些问题。原始的镁粉会自发地与水反应，从而通过水解产生氢气。而且，考虑到粉末烧结是用于冷冻浇铸的重要加工步骤，由其天然氧化物层的存在导致的镁粉末的极差的烧结性阻止生坯泡沫结构的烧结。为了克服这些问题，我们发明了使用对镁相对不反应的莰烯溶剂，从而产生稳定的悬浮制剂。另外，我们发明了在烧结期间使用石墨粉末作为缓冲剂以防止另外的氧化的用途。在此，烧结步骤应当在接近镁的熔点的温度下进行以削弱天然氧化物层。

本发明首次证明了使用基于莰烯的冷冻浇铸法成功地制造镁或镁基合金泡沫。我们在本发明中展示的示例材料是AE42镁合金泡沫，其包含一些合金元素，例如铝和稀土元素。

发明内容

镁或镁合金泡沫的独特形态、微观结构、压缩行为和生物腐蚀性质使其可潜在地用于可生物降解的生物医学、金属空气电池电极、氢存储、轻型运输应用中。尽管常规的水基冷冻浇铸可能是制造具有更好的形态可控性的金属泡沫的有前途的方法，但是由于镁或镁合金泡沫与水的强反应性，很难生产镁或镁合金泡沫。在本发明中，我们成功地使用了低温莰烯溶剂干燥和高温粉末烧结的组合成功生产镁基泡沫。镁合金泡沫可以经由具有精确控制的热处理参数的基于莰烯的冷冻浇铸工艺合成。尽管我们生产的示例性镁合金泡沫的平均孔隙率约为52％并且中值孔径为约13微米，但本发明生产的镁或镁合金泡沫的孔隙率和孔径范围分别为45％至85％和1微米至300微米。