專利名稱：可降解高韌耐蝕醫用Mg-Li-Ca-Y合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用生物材料領域的生物體內可降解高韌耐蝕醫用Mg-Li-Ca-Y 合金材料。
背景技術：
骨修復和心血管支架材料具有巨大的市場需求。據不完全統計，2000年美國就有 123萬骨修復治療的病人，其中骨移植的病人達到45萬，耗資1200億；我國尚無確切數字， 估計接受骨缺損修復治療的病人每年也多達數百萬例。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，冠心病發病率達4-7%，需要接受心血管手術的病人超過400萬人。鎂合金具有如下特點①良好的生物相容性，鎂是人體內含量最多的陽離子之一，幾乎參與人體內所有的新陳代謝過程。②良好的力學相容性，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“應力遮擋”效應，亦可克服目前可降解高分子醫用材料力學性能低和陶瓷材料韌性差的問題。③可降解吸收性，不需經二次手術取出，減少了病變的風險和患者的經濟負擔和精神痛苦。因此，鎂合金作為新一代醫用植入材料具有非常誘人的發展前景。然而，醫用鎂合金的應用存在以下科學問題(1)目前研究的絕大數鎂合金為商用合金，并非針對醫用而設計。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^^、1丫5』1^分別為28010^、19510^、10%;人工時效(T5)鍛造態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。據報道，非晶態MgSiCa合金在降低氫氣產生速度方面比晶態有明顯效果。但其塑性(Plasticity)遠比晶態差，非晶Mg66ai30Ca4 (壓縮)塑性低于2%。據不完全統計，目前國內外有關醫用鎂合金發明專利有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良的延展性。例如，鑄態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合金組織結構將發生三種形態(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)動物腐蝕試驗結果。研究發現，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。應當指出，LAE442合金含有較高含量的可引起神經毒性的Al元素。發明專利《可控腐蝕降解金屬植入材料及其應用》(申請號200510046360. 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植入兔子試驗業已證明，Li元素沒有對宿主產生炎癥、感染、不良宿主反應、肝腎在組織學上的細胞結構無改變，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。

發明內容
本發明針對現有醫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組成的生物醫用可降解四元鎂合金體系組成的 Mg-Li-Ca-Y 合金。本發明的技術方案是合金組分及質量百分比為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制造，并經過擠壓變形處理和熱處理提高其力學性能。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合金元素來調控腐蝕速率。Li是唯一可改變Mg結構的合金元素，具有提高鎂的腐蝕產物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中的平衡分配系數均小于l，Ca的加入必將導致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+共同協調神經和肌肉的活動。Li、Ca元素使形成的Mg(OH)2外層致密穩定而更具有保護性；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。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的摻雜原子鑲嵌能，Y從晶內向晶體表面擴散。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，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性能，可以滿足心血管支架、骨釘、 骨板等醫療領域對生物材料的綜合力學性能要求和生物安全性要求。


圖1擠壓態四元鎂合金Mg-1. 27Li-0. 5ICa-O. 61Y的3D顯微組織。圖2擠壓態與鑄態Mg-1. 21Li-l. 12Ca_l. OY合金力學性能比較。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明的實施例作詳細說明，本發明例在以本發明技術方案為前提下進行，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鑄造成型，并經過320-420°C 擠壓變形。擠壓變形工藝過程為先預熱，后擠壓。坯料預熱溫度為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Mg-1. 27Li-0. 51Ca_0. 61Y合金力學性能遠比其鑄態高，擠壓態合金的抗拉強度、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。與現有商業如TO43、LAE442以及Mg-Ca合金相比，本發明的創新性主要是 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合金耐蝕性優點越來越明顯。
權利要求
1.一種醫用可降解高韌耐蝕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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求1所述的可降解Mg-Li-Ca-Y鎂合金材料，其特征在于，該材料經過 380-420°C的擠壓變形工藝。
6.根據權利要求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晶組織(< ΙΟμπι)和彌散分布的第二相。
7.根據權利要求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.根據權利要求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
本發明涉及一種生物材料領域在生物體內可降解的高韌耐蝕Mg-Li-Ca-Y合金醫用金屬材料。本發明是一種由Mg、Li、Ca、Y組成的四元鎂合金體系，其組分及質量百分比為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制造，經過變形處理細化組織、提高綜合力學性能。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合金元素來調控力學和耐蝕性能。Li是唯一可改變Mg結構的合金元素，可提高鎂腐蝕產物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 優先權日2011年11月7日
發明者曾榮昌 申請人:山東科技大學