專利名稱：可降解高韌耐蝕醫(yī)用Mg-Li-Ca-Y合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用生物材料領(lǐng)域的生物體內(nèi)可降解高韌耐蝕醫(yī)用Mg-Li-Ca-Y 合金材料。
背景技術(shù)：
骨修復(fù)和心血管支架材料具有巨大的市場需求。據(jù)不完全統(tǒng)計，2000年美國就有 123萬骨修復(fù)治療的病人，其中骨移植的病人達到45萬，耗資1200億；我國尚無確切數(shù)字， 估計接受骨缺損修復(fù)治療的病人每年也多達數(shù)百萬例。另外，全球每年有一百多萬心血管支架植入人體動脈。我國在40歲以上的人口中，冠心病發(fā)病率達4-7%，需要接受心血管手術(shù)的病人超過400萬人。鎂合金具有如下特點①良好的生物相容性，鎂是人體內(nèi)含量最多的陽離子之一，幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過程。②良好的力學(xué)相容性，鎂及其合金的密度與人體骨組織的密度(1. 75g/cm3)接近。與目前使用的金屬植入材料鈦和不銹鋼的彈性模量相比，只有鎂的彈性模量(E = 45GPa)與人骨(E = 3 20GPa)最接近，能有效降低“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，亦可克服目前可降解高分子醫(yī)用材料力學(xué)性能低和陶瓷材料韌性差的問題。③可降解吸收性，不需經(jīng)二次手術(shù)取出，減少了病變的風(fēng)險和患者的經(jīng)濟負擔(dān)和精神痛苦。因此，鎂合金作為新一代醫(yī)用植入材料具有非常誘人的發(fā)展前景。然而，醫(yī)用鎂合金的應(yīng)用存在以下科學(xué)問題(1)目前研究的絕大數(shù)鎂合金為商用合金，并非針對醫(yī)用而設(shè)計。機械性能(如塑性、韌性)、耐蝕性不能完全滿足要求。(2)缺乏高塑韌耐蝕醫(yī)用鎂合金材料。①高塑性血管支架在服役時要求材料的延伸率大于20%。Biotronik公司研發(fā)的TO43可降解鎂合金支架，強度高，但是，延伸率卻難以滿足支架要求。例如，TO43固溶處理(T4)擠壓態(tài)抗拉強度(UTS)、屈服強度(TYS)、延伸率(EL)分別為270MPa、190MPa、16%; 人工時效(T5)擠壓態(tài)^^、1丫5』1^分別為28010^、19510^、10%;人工時效(T5)鍛造態(tài)UTS、 TYS、EL 分別為 300MPa、180MPa、10%。②高韌性骨骼要求高抗沖擊能力。③鎂合金過快的腐蝕導(dǎo)致析氫速度較大。純鎂的析氫速度高達10ml/h或者40ml/ cm2/day。BioMag352 (0. 2 % Zn_2. 82 % Nd_0. 19Ca_0. 21Y-0. 33Zr)的析氫速度也高達 2. 5ml/h或10ml/cm2/day，而人體吸收氫的容許度僅為2. 25ml/cm2/day。據(jù)報道，非晶態(tài)MgSiCa合金在降低氫氣產(chǎn)生速度方面比晶態(tài)有明顯效果。但其塑性(Plasticity)遠比晶態(tài)差，非晶Mg66ai30Ca4 (壓縮)塑性低于2%。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)外有關(guān)醫(yī)用鎂合金發(fā)明專利有Mg-ai系、Mg-Mn系、Mg-RE系和Mg-Si系。其中，Mg-Si系合金為最多。① Mg-Zn 系Mg-Zn > Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y> Mg-Zn-Fe > Mg-Zn-Ca-Fe > Mg-Zn-Mn-Ca> Mg-Zn-Mn-Ca-Fe ；② Mg-Mn 系Mg-Mn_Ca、Mg-Mn-Zn> Mg-Mn-Zn-Ca ；③Mg-RE 系=Mg-Y-Nd-Zr、Mg-Nd-Y-Zr-Ca-Zn ；④Mg-Si 系Mg-Si 合金。Mg-Li合金具有獨特的低密度和優(yōu)良的延展性。例如，鑄態(tài)Mg-I Iat % Li合金在室溫下，TYS為104/105MPa、EL達到39%。隨Li含量的變化，Mg-Li合金組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生三種形態(tài)(α，α+β，β)的變化。微量Li元素對人體具有必需功能或有益作用。 2005 年，Witte 博士報道了 鎂鋁合金 KLZ1、AZ91 和稀土鎂合金 WE43、LAE442 (4wt % Li,4wt% Al,2wt% RE)動物腐蝕試驗結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，與其他三種材料相比，LAE442的耐蝕性能最好。動物植入試驗3個月表明，擠壓LAE442合金腐蝕速度非常低，僅為0.31 0. 58mm/a。應(yīng)當(dāng)指出，LAE442合金含有較高含量的可引起神經(jīng)毒性的Al元素。發(fā)明專利《可控腐蝕降解金屬植入材料及其應(yīng)用》(申請?zhí)?00510046360. 6)中涉及鎂鋰系列(主要是二元Mg-I 15% Li及添加少量Li、RE、Zn和Si等元素組成的三元系或多元系，代表合金如LA91、LAZ933等)、Mg-Ca系列(主要是二元Mg-O. 1 3% Ca 及添加少量RE、Zr、Zn等元素組成的三元系或多元系)。Mg-Li合金良好的生物相容性已得到證實。LAE442植入兔子試驗業(yè)已證明，Li元素沒有對宿主產(chǎn)生炎癥、感染、不良宿主反應(yīng)、肝腎在組織學(xué)上的細胞結(jié)構(gòu)無改變，無炎性細胞侵潤，也沒有觀察到皮下氣囊和纖維囊。動物肝臟和骨中Li含量分別為1. 4μ g/kg和 0. 08mg/kg,遠低于其允許值2. 8 μ g/kg和0. 13mg/kg。另外，細胞毒性和免疫性試驗也表明，Li元素對細胞活性沒有任何影響，也不增加炎癥反應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有醫(yī)用鎂合金存在的耐蝕性和塑韌性不足的問題，提出了一種新型由人體必需元素Mg、Ca和微量元素Li、Y組成的生物醫(yī)用可降解四元鎂合金體系組成的 Mg-Li-Ca-Y 合金。本發(fā)明的技術(shù)方案是合金組分及質(zhì)量百分比為Li 1.0-9.5%，Ca 0. 6-1. 5%,Y 0.6-1.5%，其余為Mg。采用高純度高潔凈真空冶煉技術(shù)制造，并經(jīng)過擠壓變形處理和熱處理提高其力學(xué)性能。其原理是利用鎂易于在人體體液中的腐蝕降解，并通過Li、Ca、Y合金元素來調(diào)控腐蝕速率。Li是唯一可改變Mg結(jié)構(gòu)的合金元素，具有提高鎂的腐蝕產(chǎn)物Mg (OH) 2的致密性的作用。Li+離子與MgCl2形成LiCl，LiCl在表面氫氧化鎂孔隙中沉淀下來而成為阻擋層。Ca在Li和Mg中的平衡分配系數(shù)均小于l，Ca的加入必將導(dǎo)致Mg-Li合金熔體的過冷度增大，從而細化合金顯微組織；形成的腐蝕產(chǎn)物CaCO3可形成具有保護性的膜層。鈣元素可顯著提高鎂合金在高溫下的抗氧化性，細化晶粒，從而提高鎂的強度和塑性等。Ca元素在一定范圍(0.6 1.0%)內(nèi)可提高鎂合金的耐蝕性，且價格低廉，可以部分代替稀土元素，降低成本。Ca也是人體必需的元素之一。人體每天正常攝取Ca量就高達llOOmg。Ca 能維持骨髂的強度，血液中也含有少量的Ca，它在血液凝固時起重要的作用。Ca2+還可以與 Na+、K+共同協(xié)調(diào)神經(jīng)和肌肉的活動。Li、Ca元素使形成的Mg(OH)2外層致密穩(wěn)定而更具有保護性；另外，在Hank’ s溶液中能生成保護性的碳酸鋰、碳酸鈣表面膜。金屬或合金的耐蝕性是與其表面氧化膜的完整性或PB比有關(guān)。由于Mg、Li、Ca的 PB比均小于1，氧化物不致密，沒有保護性；稀土元素Y它可以使合金的枝晶組織細化，合金斷口纖維組織比率提高；Y溶解在 Mg晶體中，能降低軸比(c/a)，提高合金塑性；與鎂的原子尺寸接近，在鎂中有較大固溶度 (12% )，可以實現(xiàn)固溶強化、沉淀強化，提高鎂合金機械強度；而Y元素在鎂合金表面可形成IO3，PB比為1. 13，減少了鎂表面氧化物缺陷，提高了氧化膜致密性、保護性和耐蝕性。Y的加入可減少非稀土化合物(陰極相)的數(shù)量，稀土化合物對合金的位錯組織有釘扎作用，會減少因為析氫過程而生成的蝕坑。研究還表明，Y元素在晶體表面的摻雜原子鑲嵌能低于在晶內(nèi)的摻雜原子鑲嵌能，Y從晶內(nèi)向晶體表面擴散。因為Y與氧的原子親和能低于鎂與氧的親和能，所以Y元素在合金表面偏聚。Y-0、Mg-O及Mg-O-H間的親和能均為負數(shù)，這些原子間存在親和力，可以在合金中相互作用形成化合物。Mg-Li-Ca-Y合金具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，可以滿足心血管支架、骨釘、 骨板等醫(yī)療領(lǐng)域?qū)ι锊牧系木C合力學(xué)性能要求和生物安全性要求。


圖1擠壓態(tài)四元鎂合金Mg-1. 27Li-0. 5ICa-O. 61Y的3D顯微組織。圖2擠壓態(tài)與鑄態(tài)Mg-1. 21Li-l. 12Ca_l. OY合金力學(xué)性能比較。圖 3Mg-l. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y、Mg-0. 54Ca、Mg-0. 60Ca_l. 33Li 合金在 Hank，s 溶
液中的失重腐蝕速度比較。圖 4Mg-l. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y、Mg-0. 54Ca、Mg-0. 60Ca_l. 33Li 合金在 Hank，s 溶液中的pH值隨時間的變化曲線比較。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本發(fā)明例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行，給出了詳細的實施方式和具體操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。原材料Mg的純度為99. 99%, Li的純度為99. 95%, Ca的純度為99. 75%, Y的純度為99.9%。采用高純度高潔凈氬氣保護下的真空冶煉技術(shù)鑄造成型，并經(jīng)過320-420°C 擠壓變形。擠壓變形工藝過程為先預(yù)熱，后擠壓。坯料預(yù)熱溫度為320°C，時間為證；擠壓機模具溫度比坯料溫度低20°C，保溫時間為2 釙；擠壓速度為1 3m/min，擠壓比為 16 20 1。實施例1
圖1表示擠壓態(tài)四元鎂合金Mg-1. 27Li-0. 5ICa-O. 61Y的組織是由α -Mg相和細小而彌散分布的第二相組成。實施例2圖2表示擠壓態(tài)Mg-1. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y合金力學(xué)性能遠比其鑄態(tài)高，擠壓態(tài)合金的抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為185MPa、120MPa、M%。實施例3圖 3 表示 Mg-1. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y 耐蝕性能比 Mg-1. 33Li_0. 60Ca、Mg-0. 54Ca 合金的耐蝕性能優(yōu)良。Mg-1. 27Li-0. 5ICa-O. 61Y、M-1. 33Li g-0. 60Ca、Mg-0. 54Ca 合金在 Hank，s溶液中8h的失重腐蝕速度分別為16 μ g/cm2 · h、31 μ g/cm2 · h、82 μ g/cm2 · h。另外，Mg-1. 27Li-0. 51Ca-0. 61Y、Mg-1. 33Li_0. 60Ca、Mg-0. 54Ca 合金在 Hank，s 溶液中的電流密度分別為:2. 78X l(T5A/cm2、6. 89 X l(T5A/cm2、9. 44X l(T5A/cm2。實施例4圖 4 表示 Mg-1. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y 比 Mg_l. 33Li_0. 60Ca 和 Mg-0. 54Ca 合金在Hank，s溶液中pH值低。在浸泡6h以后，Mg-1. 33Li_0. 60Ca的pH值反而比 Mg-1. 27Li-0. 61Y-0. 51Ca低，這表示Y含量僅為0. 61wt %的作用較為有限，而Li元素具有明顯地抑制溶液PH值增長過快的作用。與現(xiàn)有商業(yè)如TO43、LAE442以及Mg-Ca合金相比，本發(fā)明的創(chuàng)新性主要是 Mg-Li-Ca-Y合金具有良好的生物相容性、較高的機械強度、極高的延伸率和優(yōu)良的耐蝕性能。特別是，隨著浸泡時間的延長，Mg-Li-Ca-Y合金耐蝕性優(yōu)點越來越明顯。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用可降解高韌耐蝕Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料。其特征在于，合金組分及質(zhì)量百分比為Li 1. 0-9. 5%,Ca 0. 6-1. 5%,Y 0. 6-1. 5%,其余為Mg。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料主要含有Lil. 0-9. 5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料主要含有=Ca 0. 6-1. 5%0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料主要含有Y 0. 6-1. 5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料經(jīng)過 380-420°C的擠壓變形工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料具有晶粒細小的再結(jié)晶組織(< ΙΟμπι)和彌散分布的第二相。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為185 230MPa、120 150MPa、20 30%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料在 Hank’ s溶液中的耐蝕性能比Mg-Ca和Mg-Li-Ca都高。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物材料領(lǐng)域在生物體內(nèi)可降解的高韌耐蝕Mg-Li-Ca-Y合金醫(yī)用金屬材料。本發(fā)明是一種由Mg、Li、Ca、Y組成的四元鎂合金體系，其組分及質(zhì)量百分比為Li 1.0-9.5％，Ca 0.6-1.5％，Y 0.6-1.5％，其余為Mg。采用高純度高潔凈真空冶煉技術(shù)制造，經(jīng)過變形處理細化組織、提高綜合力學(xué)性能。其原理是利用鎂在人體中易于降解特點，通過添加Li、Ca和Y合金元素來調(diào)控力學(xué)和耐蝕性能。Li是唯一可改變Mg結(jié)構(gòu)的合金元素，可提高鎂腐蝕產(chǎn)物Mg(OH)2的致密性和阻擋性的作用；Ca可細化組織晶粒，形成的腐蝕產(chǎn)物CaCO3、CaMgCO3具有保護性；Y在鎂合金表面形成致密性好的氧化膜Y2O3，提高合金的耐蝕性。因此，Mg-Li-Ca-Y合金具有良好生物相容性、較高機械強度、高塑形和優(yōu)良耐蝕性能。
文檔編號C22C23/00GK102392164SQ20111034720
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者曾榮昌 申請人:山東科技大學(xué)