專利名稱：一種Mg-Sr-Zn系合金及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種Mg-Sr-Zn系合金及其制備方法，屬于醫用金屬材料領域。
背景技術：
目前醫用生物可降解材料主要為可降解高分子材料和可降解陶瓷材料。可降解高分子材料包括聚羥基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙酸內酯(PCL)及其共聚物、天然多糖類材料(纖維素、甲殼素)和天然蛋白質材料(膠原、纖維蛋白)等，雖然這種材料能夠完全被人體吸收，但其強度低，很難提供結構支撐的功能，且其體內降解產物易引發炎癥反應等問題。可降解陶瓷材料包括羥基磷灰石、α -磷酸三鈣、β -磷酸三鈣和磷酸氧四鈣，但是這種材料的韌性差，無法協調變形。
生物醫用金屬材料因其優良的力學性能、生物相容性和耐腐蝕性，在醫療器械領域廣泛使用。目前生物醫用金屬材料主要為316L、317L、304V不銹鋼、Co-Cr-Mo合金、純鈦、 Ti-6Al-4V、TiNi合金等，其主要缺點是不可降解，在體內將永久性以“異體”形式存在。同時，不銹鋼、Co-Cr-Mo合金和鈦合金的力學性能尤其是彈性模量與骨組織不匹配，如不銹鋼的彈性模量約為200GPa，鈦合金約為lOOGPa，而骨組織的彈性模量只有10_40GPa，因此導致金屬植入體植入后將承載幾乎全部載荷，造成骨組織的應力遮擋現象，即植入體周圍骨組織萎縮或疏松。發明內容
本發明的目的是提供一種Mg-Sr-Zn系合金及其制備方法，本發明提供的醫用植入體為一種可降解吸收、力學性能與骨組織匹配、生物相容性與耐腐蝕性能良好的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金醫用植入體。
本發明所提供的一種Mg-Sr-Zn系合金,包括Mg、Sr和Zn ；
以重量百分比計，所述合金中，Sr的含量為(Γ5%，但不為零，Zn的含量為(Γ2%，但不為零，本發明提供的合金可為致密結構或多孔結構。
上述的合金中，所述合金還包括微量元素,所述微量元素具體可為猛、錯、錫、稀土和釔中至少一種；
所述合金中中，所述微量元素的質量百分含量可為(Γ2%，但不為零。
上述的合金中，所述合金中，錳的質量百分含量不大于I. 5%，鋯的質量百分含量不大于1%，錫的質量百分含量不大于2%，稀土的質量百分含量不大于2%，以及釔的質量百分含量不大于1%。
上述的合金中，所述合金的表面還涂覆可降解高分子涂層或可降解陶瓷涂層。
上述的合金中的具體組成如下由Mg、Sr和Zn組成，Sr的質量百分含量為2°/Γ5%、 Zn的質量百分含量為1% 2%和余量的Mg，具體可為97%的Mg、2%的Sr和1%的Zn或93%的 Mg,5% 的 Sr 和 2% 的 Zn ;由 Mg,Sr,Zn 和 Sn 組成，如 95% 的 Mg,3% 的 Sr、I. 5% 的 Zn 和 O. 5% 的Sn。
上述的合金中，所述可降解高分子涂層可為聚羥基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、 L-聚乳酸(PLLA)、聚己酸內酯(PCL)、聚氰基丙烯酸酯(PACA)、聚對二氧雜環己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸類聚合物、聚β -羥基丁酸酯和羥基戊酸酯或其共聚物中的一種或一種以上混合物；
所述可降解陶瓷涂層可為羥基磷灰石、含鍶羥基磷灰石、含氟羥基磷灰石、α -磷酸三鈣、磷酸三鈣和磷酸氧四鈣中的一種或一種以上混合物；
所述可降解高分子涂層或可降解陶瓷涂層的厚度均可為O. Of 5mm。
本發明提供了上述的合金的制備方法，包括如下步驟將所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一種方式進行混合得到混合物
I) Mg、Sr 和 Zn;和
2) Mg、Sr、Zn 和微量元素；
在CO2和SF6氣氛保護下，將所述混合物進行熔煉，即得到所述合金，為致密結構。
上述的制備方法中，所述熔煉的溫度可為70(T85(TC，所述熔煉的時間可為 30mirT4h，如在 850°C下反應 30min。
所述Sr可以Mg-Sr中間合金的形式進行添加。
上述的制備方法中，所述方法還包括將所述合金進行機械加工的步驟；所述機械加工為軋制、鍛造、擠壓和快速凝固中的一種或一種以上加工方法；
所述軋制包括如下步驟將所述合金進行固溶處理，然后依次經粗軋、中軋和精軋；如在30(T500°C下固溶處理2 20小時，然后在40(T500°C進行粗軋，道次壓下量為 10 15% ;在35(T400°C進行中軋，道次壓下量30 60% ;在20(T350°C進行精軋，道次壓下量 5 10% ；
所述鍛造的溫度可為20(T400°C，鍛造速率可為200mm/iT400mm/S，鍛造率可為 5% 15% ；
所述擠壓的溫度可為20(T40(TC，如270°C，擠壓速率可為O. f50mm/min，如2mm/ min，擠壓比可為10 100，如25 ；
所述快速凝固是采用高真空快淬系統在Ar氣保護下制成快速凝固薄帶，其中加料量為2 8g，感應加熱功率為3 7kW，噴嘴與輥間距為O. 8mm,噴射壓力為O. 05、. 2MPa，輥輪轉速為50(T5000r/min，噴嘴狹縫尺寸為IfilmX8mmX6mm ;然后將薄帶破碎成粉末狀， 200^350 °C真空熱壓為I 24h，制成Mg-Sr-Zn系合金擠壓坯，然后于200 400 °C范圍內擠壓， 擠壓比為10 60。
本發明還提供了另一種上述的合金的制備方法，包括如下步驟將所述Mg、Sr、Zn 和微量元素按照下述I) 2)中任一種方式進行混合得到混合物
I) Mg、Sr 和 Zn ;和
2) Mg、Sr、Zn 和微量元素；
將所述混合物進行燒結，然后經冷卻即得到所述合金，即為多孔結構；
所述燒結為下述任一種方法元素粉末混合燒結法、預合金粉燒結法和自蔓延高溫合成法。
所述元素粉末混合燒結法包括如下步驟在Ar氣保護氣氛的條件下進行燒結，以 2 4°C /min的速率升溫至20(T50(TC后，接著以30°C /min的速率升溫至650°C，燒結I 12小時，然后爐冷降溫，得到多孔結構的醫用植入體。
所述預合金粉燒結法包括如下步驟將所述混合物置于30(T650°C的條件下進行熱處理f 12小時，如在650°C的條件下熱處理4小時得到多孔結構的合金。
所述自蔓延高溫合成法包括如下步驟在惰性氣體保護下，氣體壓力 I X IO3-I X IO5Pa, 20(T700°C下點燃所述混合物進行自蔓延高溫合成，得到多孔結構的合金。
上述的制備方法中，所述方法還包括向所述合金的表面涂覆所述可降解高分子涂層或可降解陶瓷涂層的步驟；
通過提拉法或勻膠法涂覆所述可降解高分子涂層；
通過離子噴涂、電沉積或陽極氧化方法涂覆所述可降解陶瓷涂層；
所述可降解高分子涂層和可降解陶瓷涂層的厚度可為5 50微米，如1(Γ30微米。
所述提拉法包括如下步驟將Mg-Sr-Zn系合金進行酸洗，同時將所述可降解高分子涂層的材料溶解在有機溶劑中制成高分子材料膠體，然后將酸洗后的Mg-Sr-Zn系合金在高分子材料膠體中浸涂后勻速拉出進行離心處理，得到表面涂覆有可降解高分子涂層的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金醫用植入體。所述有機溶劑優選三氯乙烷。
所述勻膠法包括如下步驟將Mg-Sr-Zn系合金進行酸洗，同時將所述可降解高分子涂層的材料溶解在有機溶劑中制成高分子材料膠體，然后將高分子材料膠體滴在合金表面，利用勻膠機高速旋轉使膠體鋪展到合金上形成薄層，干燥以去除多余溶劑，多次涂覆以達到最佳效果，得到表面涂覆有可降解高分子涂層的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金醫用植入體。所述有機溶劑優選三氯乙烷。
所述等離子體噴涂采用的等離子氣體主氣為Ar 30 100scfh,次氣為Η25 20scfh, 噴涂電流40(Γ800Α，噴涂電壓4(T80V，噴涂距離100 500臟。
所述電沉積，是以Mg-Sr-Zn系合金為陰極，在含鈣、磷、氟或鍶鹽的電解液中，電流密度為O. 5 30mA/cm2，溫度為25 85°C，處理l(T60min后，清洗干燥得到所述醫用植入體。
所述陽極氧化方法，是將Mg-Sr-Zn系合金在鈣、磷、氟或鍶鹽的電解液中， 200 500V下氧化5 30min。
本發明還提供了上述Mg-Sr-Zn系合金在制備醫用植入體中的應用，如在骨組織修復支架中的應用。
本發明提供的合金能夠作為醫用植入體的原理為(1)從生物相容性的角度來看，鎂是人體的必需元素，因此腎功能正常者每天用4 6g鎂，一般不會引起毒副作用；從材料學角度來看，鎂合金密度(I. 75^1. 85g/cm3)與人體密致組織(I. 75g/cm3)相近，彈性模量約為45GPa，不到醫用鈦合金彈性模量(109-112GPa)的1/2，能有效緩解骨科植入物的應力遮擋效應；而且，鎂合金化學性質活潑，在含有Cl-的人體體液環境中可腐蝕降解。(2)鍶是人體的微量元素，99%存在于骨和牙齒；Sr鹽可以促進骨組織形成，抑制骨吸收，從而增加骨量和提高骨強度，治療骨質疏松。從材料學角度來看，適量添加Sr可以提高鎂合金的室溫和高溫強度，改善鎂合金的高溫蠕變性能和抗熱裂性，提高鎂合金的耐腐蝕性能。(3) 鋅是人體的必需微量元素。機體內的鋅幾乎全部是以結合到細胞蛋白質的Zn2+形式存在。 冶金學上，鋅在鎂中的最大固溶度為6. 2%，具有固溶強化和時效強化的作用，可顯著提高鎂合金室溫強度，提高鎂合金的耐腐蝕性。
本發明與現有技術相比具有如下優點和效果
(I)本發明的可降解吸收Mg-Sr-Zn系鎂合金，選用人體必需金屬元素，不含有害或潛在有害元素，其中的合金化元素Sr可促進成骨，抑制骨吸收，從而伴隨Mg-Sr-Zn系合金降解促進組織愈合。
(2)本發明的Mg-Sr-Zn系鎂合金的制備方法，工藝簡單，通過成分設計和制備工藝的配合，實現調控醫用植入體的力學性能和降解速度，獲得最佳的力學性能和耐腐蝕性倉泛。


圖I為實施例I制備的鑄態Mg-Sr-Zn合金顯微組織。
圖2為實施例I鑄態Mg-Sr-Zn合金和實施例2制備的軋態Mg-Sr-Zn合金室溫拉伸性能。
圖3為實施例2制備的軋態Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的X射線圖。
圖4為實施例2制備的軋態Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的micro-CT 3D重建圖。
圖5為實施例2制備的軋態Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的micro-CT 2D 圖。
具體實施方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
實施例I、制備鑄態Mg-Sr-Zn合金及其拉伸性能
試驗原料采用純Mg (99. 95wt. %)、純Zn和Mg-Sr中間合金,按照配比Sr 2%、Zn 1%和余量為Mg稱取原料Mg、Mg-Sr中間合金和Zn。
在0)2和SF6氣氛保護下熔化純鎂錠，溫度升高至750°C加入Mg-Sr中間合金，待其熔化后攪拌IOmin,隨后加入Zn,攪拌IOmin,使合金化元素Sr和Zn均勻化。升溫至750°C 后保溫30min，將熔體澆注到預熱至300°C的模具中進行重力鑄造，制得Mg-Sr-Zn鑄錠。
本實施例制備的鑄態Mg-Sr-Zn合金顯微組織如圖I所示，由該圖可得之，本實施例制備的鑄態Mg-Sr-Zn合金晶粒直徑小于100 μ m，在晶粒內部有二次相析出。
將本實施例制備的鑄態Mg-Sr-Zn合金按照ASTM拉伸標準線切割加工成拉伸標準樣，SiC耐水砂紙打磨至2000#，利用通用拉伸試驗機進行室溫拉伸實驗進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為lmm/min。
本實施例制備的鑄態Mg-Sr-Zn合金的室溫拉伸性能如圖2所示(黑色柱狀圖)。
實施例2、制備軋態Mg-Sr-Zn合金及其拉伸性能
按照實施例I中的步驟制備鑄態Mg-Sr-Zn合金，然后將該鑄態Mg-Sr-Zn合金加工成5_厚板材,砂紙打磨至無明顯缺陷,于400°C的條件下固溶處理3小時,進行軋制依次進行粗軋、中軋和精軋在450°C下進行粗軋，道次壓下量為10%，在400°C下進行中軋，道次壓下量為50%，在350°C下進行粗軋，道次壓下量為10%，最終軋制到2mm厚薄板。
將本實施例制備的軋態Mg-Sr-Zn合金按照ASTM拉伸標準線切割加工成拉伸標準樣，SiC耐水砂紙打磨至2000#，利用通用拉伸試驗機進行室溫拉伸實驗，拉伸速度為1mm/ min。
本實施例制備的軋態Mg-Sr-Zn合金的室溫拉伸性能如圖2所示(灰色柱狀圖)，由該圖可得知，軋態Mg-Sr-Zn合金的屈服強度和拉伸強度舉要明顯高于鑄態，但是二者斷裂伸長率差別不大，但鑄態合金斷裂伸長率要稍長一些。
將本實施例制備的軋態Mg-Sr-Zn合金加工成Φ0. 7mm和長5mm的棒材,打磨拋光至2000#砂紙，環氧乙烷消毒。選擇8只3個月C57BL/6小鼠，隨機分為兩組，每組4只。其中一組麻醉并對左側膝蓋備皮并消毒，股骨遠端鉆直徑為O. 7mm圓孔，將合金棒植入孔內并縫合。另外一組小鼠左側股骨鉆孔作為空白對照。術后定期觀察沒有發現植入體引起周圍組織發炎等異物反應。術后4周發現成骨反明顯，骨小梁密度高于對照組，外骨膜和內骨膜成骨均高于對照組。
采用本實施例得到的軋態Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的X射線和 micro-CT觀察結果如圖3、圖4和圖5所示，由這些結果可得知，在植入小鼠骨髓腔4周后， 合金植入物已經有部分降解，在降解部位有新骨生成。
實施例3、擠壓態Mg-Sr-Zn-Sn合金的制備及其生物相容性與可降解性
試驗原料采用純Mg (99. 95wt. %)、Mg-Sr中間合金、純Zn和純Sn,按照配比Sr 3%、Zn1. 5%、Sn O. 5%和余量為Mg稱取原料Mg、Mg-Sr中間合金、Zn和Sn。
在0)2和SF6氣氛保護下熔化純鎂錠，溫度升高至750°C加入Mg-Sr中間合金，待其熔化后攪拌1Omin,隨后加入Zn和Sn,攪拌IOmin,使合金化元素Sr、Zn和Sn均勻化。升溫至 750°C后保溫30min，將熔體澆注到預熱至300°C的模具中進行重力鑄造，制得Mg-Sr-Zn-Sn 鑄錠。將制得的鑄錠400°C保溫3小時，進行擠壓，擠壓速率為2mm/min，擠壓比25 :1，擠壓溫度270 0C ο
取上述方法制得的擠壓態Mg-Sr-Zn-Sn合金加工成螺釘植入18只新西蘭白兔左側股骨，對側植入純Ti螺釘。術后1個、6個和12個月分別處死實驗動物，18只兔子均沒有發現植入體引起周圍組織發炎等異物反應，術后12個月Mg-Sr-Zn-Sn合金植入體體積減少58%，降解處均被新骨填充。
實施例4、制備多孔結構的Mg-Sr-Zn合金及其骨組織匹配性能
將純Mg (純度為99. 95%)、純Sr (純度為99. 9%)和純Zn (純度為99. 999%)按質量比為93 5 :2的比例，混合均勻，壓制成還，在真空燒結爐(VSF系列(通用型)真空燒結爐， 沈陽真空技術研究所)中燒結，具體燒結的步驟為以2°C /min慢速升溫至300°C后，接著以30°C /min快速升溫至650°C，然后在此溫度下保持4h，最后，爐冷降溫，用預合金粉燒結法得到多孔結構的Mg-Sr-Zn合金。
經排水法測量空隙率為50%，將該多孔結構的Mg-Sr-Zn合金經切割制備成尺寸為 5X5X5mm3的立方體，即得到醫用植入體-骨組織修復支架。
將按照上述方法制備的骨組織修復支架植入體12個，分別利用手術埋植于12只家兔的股骨內，首先用f=3mm手鉆在家兔股骨處鉆孔后將植入體埋植入左側股骨，術后注射青霉素鉀15mg/kg，實驗以316L不銹鋼(西北有色金屬研究院)支架作為對照；術后I個、 5個月分別處死實驗動物。術后1個月，micro-CT觀察家兔股骨處該合金材料由于腐蝕降解體積逐步減小，材料周圍的骨組織修復受損骨且接觸緊密。骨組織修復支架植入體植入 5月后，均完全降解，而316L不銹鋼支架周圍組織發炎。
實施例5、表面涂覆L-聚乳酸(PLLA)的軋態Mg-Sr-Zn合金的制備及其可降解性
按照實施例2中的方法制備軋態Mg-Sr-Zn合金，然后按照下述提拉法在其表面涂覆PLLA涂層，厚度為1(Γ30 μ m，制備PLLA表面改性骨固定板
(I)使用濃硝酸、氫氟酸配置酸洗液，將骨固定板酸洗5 20min。
(2)在 IOml 三氯乙烷中溶解 O. 5gPLLA (分子量8(T200kDa)。
(3)將酸洗后的合金植入體放入膠體中浸泡30分鐘后勻速提拉取出，真空室溫干燥過夜。
(4)消毒處理，準備待用。
將制得的PLLA表面改性Mg-Sr-Zn骨固定板固定于狗的股骨中。通過定期的觀察沒有發現植入體引起周圍組織發炎等異物反應。觀察發現隨著植入時間的延長，PLLA逐漸溶解，骨固定板尺寸變小，同時與連接骨處連接緊密。7個月后，植入骨固定板完全降解。
實施例6、表面涂覆I丐磷涂層的軋態Mg-Sr-Zn合金的制備及其可降解性能
按照實施例2中的方法制備軋態Mg-Sr-Zn合金一骨固定板，用800#、1500#和 2000#砂紙打磨骨固定板，然后按照陽極氧化方法在其表面涂覆鈣磷，厚度為1(Γ30μπι:以 O. 04Μ β -甘油磷酸鈉和O. 2Μ醋酸鈣作為電解液
(I)骨固定板在pH :10 11電解液中350V陽極氧化lOmin。
(2)清洗后將樣品置于高壓反應釜中130°C保溫4h。
(3)消毒處理，準備待用。
將制得的陽極氧化和水熱合成共同表面改性骨固定板固定于狗的股骨中。通過定期的觀察沒有發現植入體引起周圍組織發炎等異物反應。觀察發現隨著植入時間的延長， 表面涂層逐漸與骨融合，骨固定板尺寸變小。12個月后，植入骨固定板完全降解。
權利要求
1.一種Mg-Sr-Zn系合金,其特征在于所述合金包括Mg、Sr和Zn ；以重量百分比計，所述合金中，Sr的含量為(Γ5%，但不為零，Zn的含量為(Γ2%，但不為零。
2.根據權利要求I所述的合金，其特征在于所述合金還包括微量元素，所述微量元素為錳、鋯、錫、稀土和釔中至少一種；所述合金中，所述微量元素的質量百分含量為(Γ2%，但不為零。
3.根據權利要求2所述的合金，其特征在于所述合金中，錳的質量百分含量不大于 1.5%，鋯的質量百分含量不大于1%，錫的質量百分含量不大于2%，稀土的質量百分含量不大于2%，以及釔的質量百分含量不大于1%。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的合金，其特征在于所述合金的表面還涂覆可降解高分子涂層或可降解陶瓷涂層。
5.根據權利要求4所述的合金，其特征在于所述可降解高分子涂層為聚羥基乙酸、聚乳酸、L-聚乳酸、聚己酸內酯、聚氰基丙烯酸酯、聚對二氧雜環己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸類聚合物、聚β -羥基丁酸酯和羥基戊酸酯或其共聚物中的一種或一種以上混合物；所述可降解陶瓷涂層為羥基磷灰石、含鍶羥基磷灰石、含氟羥基磷灰石、α -磷酸三鈣、 β-磷酸三鈣和磷酸氧四鈣中的一種或一種以上混合物；所述可降解高分子涂層或可降解陶瓷涂層的厚度為O. Of 5mm。
6.權利要求1-5中任一項所述的合金的制備方法,包括如下步驟將所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一種方式進行混合得到混合物1)Mg、Sr 和 Zn ;和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；在CO2和SF6氣氛保護下，將所述混合物進行熔煉，即得到所述合金。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述熔煉的溫度為70(T85(TC，所述熔煉的時間為30min 4h。所述Sr以Mg-Sr中間合金的形式進行添加。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于所述方法還包括將所述合金進行機械加工的步驟；所述機械加工為軋制、鍛造、擠壓和快速凝固中的一種或一種以上加工方法;所述軋制包括如下步驟將所述合金進行固溶處理，然后依次經粗軋、中軋和精軋；所述鍛造的溫度為20(T400°C，鍛造速率為200mm/s 400mm/s，鍛造率為5% 15% ；所述擠壓的溫度為20(T40(TC，擠壓速率為O. f30mm/min，擠壓比為1(Γ 00。
9.權利要求1-5中任一項所述的合金的制備方法,包括如下步驟將所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一種方式進行混合得到混合物1)Mg、Sr 和 Zn ;和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；將所述混合物進行燒結，然后經冷卻即得到合金；所述燒結為下述任一種方法元素粉末混合燒結法、預合金粉燒結法和自蔓延高溫合成法。
10.權利要求1-5中任一項所述Mg-Sr-Zn系合金在制備醫用植入體中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種Mg-Sr-Zn系合金及其制備方法。所述合金包括Mg、Sr和Zn；以重量百分比計，所述醫用植入體中，Sr的含量為0~5%，但不為零，Zn的含量為0~2%，但不為零，余量為Mg。將所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述1)~2)中任一種方式進行混合得到混合物1)Mg、Sr和Zn；和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；在CO2和SF6氣氛保護下，將所述混合物進行熔煉，即得到所述合金。本發明的可降解吸收Mg-Sr-Zn系鎂合金，選用人體必需金屬元素，不含有害或潛在有害元素，其中的合金化元素Sr可促進成骨，抑制骨吸收，從而伴隨Mg-Sr-Zn系合金降解促進組織愈合。
文檔編號C22C1/03GK102978495SQ20121054004
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者鄭玉峰, 顧雪楠, 李楠 申請人:北京大學