专利名称：一种Mg-Li系镁合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Mg-Li系镁合金及其制备方法，属于医用镁合金材料及其制备方法领域。
背景技术：
骨修复和血管支架材料具有庞大的市场需求，据统计,全球每年有180万-200万关节移植的病例，每年有超过100万例血管支架被移植到病人体内用于医治动脉硬化。
临床上广泛应用的血管支架材料主要包括316L不锈钢、Co-Cr合金、纯钛、Ni-Ti 合金、Pt-Ir合金以及金属Ta等金属材料。由于这些材料均为惰性材料，在体内不可自行降解，因此需二次手术取出，增加了治疗费用及患者风险。此外，由这些惰性金属材料制备的血管支架长期留存体内会带来不可预期的负面影响，例如，引发炎症和血管内膜增生，进而导致血管再狭窄等。
目前医用的生物可降解材料主要包括可降解高分子材料和可降解陶瓷材料，可降解高分子材料虽能够完全被人体吸收，但强度低，很难提供结构支撑的功能，且其体内降解产物易引发炎症反应等问题；可降解陶瓷的缺点是韧性差，无法协调变形。
镁是一种特殊的轻金属，其密度为I. 74g/cm3，与人骨密度(I. 8-2. lg/cm3)接近。 与其他金属植入物材料相比，其弹性模量和压缩屈服强度更接近于正常骨组织，可有效避免“应力遮挡”效应，亦可克服目前可降解高分子材料力学性能差及可降解陶瓷韧性差的问题。镁是人体内第二重要的阳离子，含量仅次于钾。镁在人体中正常含量为25克，且半数存在于骨骼中。此外，镁在人体正常新陈代谢过程中不可或缺。镁离子在细胞外液的浓度波动于O. 7-1. 05mmol/L之间，由肾脏和小肠保持其浓度稳定。镁在工程应用中的主要缺点是低耐腐蚀性，但这个缺点却成了其作为生物材料应用的优势镁在体内可以降解成可溶的无毒氧化物并无害的从肠组织中排泄出体外。因此，作为新型的生物医用可降解材料，镁及镁合金具备良好的力学性能、可腐蚀降解性能及生物相容性，具有良好的应用前景。
国内外目前研究的医用镁合金体系主要有Mg-Zn系列、Mg-Ca系列、Mg-Mn系列、 Mg-RE系列和Mg-Si系列等。若把所述系列合金发展成为血管支架材料应用于医疗领域，将面临的一个主要问题是其塑性普遍偏低，如经过T6回火处理的铸态WE43其延伸率仅有2%。 在镁合金中添加Li元素不仅能获得低密度、高比强度和高比刚度的超轻合金体系，而且由于Li的加入,使Mg的晶体结构由hep结构向bcc结构转变,使其塑性明显提高,硬化速率下降，冷热加工性能提高，并随着Li添加量的增加，改善程度提高。从生物学角度来看，研究人员曾就Li元素对几种原代细胞系的细胞毒性进行了研究，结果表明Li元素对细胞的增殖无抑制作用。
然而，由于Li元素的添加不可避免地降低了合金的强度和耐腐蚀性能，而少量Al 元素的加入，在基体的晶界和晶内形成含Al金属间化合物相，由于这些相的尺寸细小且分布较均匀，因此使合金的室温强度升高。
稀土元素化学活性强，具有除氢、除氧、除硫等作用并且可改善合金流动性和加工性能，在室温和高温下具有固溶强化和沉淀强化的双重作用，可提高合金的室温和高温强度。并且稀土加入镁合金可细化合金组织，在合金表面形成含稀土氧化物的致密氧化膜，降低合金的氧化倾向，提高合金的耐腐蚀性能。临床中，含稀土类药物可用于治疗肿瘤，并且由于加入稀土金属量少，不会对人体产生不利影响。发明内容
本发明的目的是提供一种Mg-Li系镁合金及其制备方法，本发明提供的Mg-Li系镁合金具有高塑性、高韧性、良好的生物相容性以及耐腐蚀性能。
本发明所提供的一种Mg-Li系镁合金,包括Mg和Li ；
以重量百分比计，所述镁合金中，Li的含量为(Γιο%，但不为零。
本发明提供的镁合金可为致密结构。
上述的Mg-Li系镁合金，所述镁合金还包括Al，所述Al的质量百分含量可为 (Γ5%，但不为零。
上述的Mg-Li系镁合金，所述 镁合金还可包括混合稀土元素，所述混合稀土元素的质量百分组成为50%的Ce、28%的La、6%的Pr和16%的Nd，所述混合稀土元素的质量百分含量为(Γ5%，但不为零。
上述的Mg-Li系镁合金，所述镁合金还可包括微量元素，所述微量元素可为锰、 错、锡和乾中至少一种；
所述镁合金中，所述微量元素的质量百分含量可为(Γ2%，但不为零。
上述的Mg-Li系镁合金,所述镁合金中，猛的质量百分含量不大于I. 5%,错的质量百分含量不大于1%，锡的质量百分含量不大于2%，以及钇的质量百分含量不大于1%。
上述的Mg-Li系镁合金具体质量组成可为由Li和镁组成，Li的质量百分含量为 3. 39Γ8. 5%，余量为镁，具体可为3. 3%的Li和余量的镁或8. 5%的Li和余量的镁；由Li、Al 和镁组成，Li的质量百分含量为3. 39Γ8. 5%, Al的质量百分含量为1%和余量的镁，具体可为3.3%的Li、1%的Al和余量的Mg或8. 5%的Li、1%的Al和余量的Mg ;由Li、Al、混合稀土元素和镁组成，Li的质量百分含量为3. 59Γ8. 5%，Al的质量百分含量为2% 4%，混合稀土元素的质量百分含量为29Γ3. 5%和余量的镁，具体可为3. 5%的Li、2%的Al、2%的混合稀土元素和余量的Mg、3. 5%的Li、4%的Al、2%的混合稀土元素和余量的Mg、8. 5%的Li、2%的Al、 2%的混合稀土元素和余量的Mg或8. 5%的Li、2%的Al、3. 5%的混合稀土元素和余量的Mg。
本发明还提供了上述的镁合金的制备方法，包括如下步骤在氩气保护下，将下述 I)飞)中任一种物料添加到熔融的Mg中得到熔体；然后将熔体进行熔炼得到熔料；所述熔料经挤压即得所述镁合金；
I) Li ；
2) Li 和 Al;
3) Li、Al和混合稀土元素；
4) Li和微量元素；
5) Li、Al和微量兀素；和
6) Li、Al、混合稀土元素和微量元素。
上述的制备方法中，所述熔炼的温度为65(T800°C，时间为30mirTl2h，如在720°C的条件下熔炼30min。
上述的制备方法中，在所述挤压步骤之前，所述方法还包括将所述熔料浇注至预热到200°C 300°C的模具中的步骤；
所述混合稀土可以Mg-RE中间合金的形式进行添加。
所述挤压的温度可为20(T400 °C，挤压速度可为O. f 30m/min，挤压比可为 10 100，如在280°C下进行挤压，挤压速率为O. 5m/min，挤压比为25 :1。
上述的制备方法中，所述方法还包括向所述镁合金的表面涂覆聚合物药物涂层或蛋白药物涂层的步骤；
所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层中的药物可为紫杉醇、雷帕霉素、肝素、平滑肌细胞抑制剂、他克莫司、硝普纳等中的一种或多种的任意组合；
所述聚合物药物涂层中的聚合物可为壳聚糖、聚氨酯、聚乙二醇、聚酸酐和聚乳酸及其共聚物中至少一种；
所述蛋白药物涂层中的蛋白可为磷酸胆碱、胶原蛋白和明胶中至少一种。
上述的制备方法中，所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层的厚度可为 10nm 50 μ m,如10 30 μ m,可为单层或多层；
可通过浸涂、喷涂、电镀或物理气相沉积法等方法涂覆所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层。
本发明具有以下有益效果
本发明所提供的可降解血管支架用Mg-Li- (A1、RE)系合金，选用生物相容性良好的锂作为合金化元素，改善了传统镁合金普遍具有的塑性较低的缺点。此外，选用了铝和稀土元素进行合金化，通过成分设计及制备工艺的组合，弥补了因锂的添加造成的强度和耐腐蚀性能的不足。
图I为实施例I制备的挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金材料的金相显微组织图。
图2为实施例I制备的挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金的室温拉伸性能曲线。
图3为实施例I制备的挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金在仿生模拟体液中进行电化学试验得到的腐蚀性能曲线。
图4为在实施例I制备的挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金浸提液中培养1、3和5天后ECV304和VSMC的细胞存活率，其中，图4 (a)和图4 (b)分别为ECV304和VSMC的细胞存活率。
图5为在实施例I制备的挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金表面培养I小时后血小板的微观形貌。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所用的混合稀土元素的质量组成均为50%的Ce、28%的La、6%的Pr 和16%的Nd。
实施例I、制备Mg-Li- (Al、RE)合金
试验原料采用纯Mg(99. 9wt. %)、Li(99. 9wt. %)、Α1(99· 95wt. %)和 RE(99. 8wt. %)。
分别按照下述配比称取物料
(a) Li 3. 3% 和余量的 Mg ;(b) Li 3. 3%、Al 1% 和余量的 Mg ; (c) Li 8. 5% 和余量的 Mg; (d) Li 8.5%、Al 1% 和余量的 Mg ; (e) Li 3. 5%、Al 2%、RE 2% 和余量的 Mg ; (f) Li3.5%、A1 4%、RE 2% 和余量的 Mg ；(g) Li 8. ·5%、A1 2%、RE 2% 和余量的 Mg ；(h) Li 8. 5%、A1 2%、RE 3. 5%和余量的Mg ；
将细小镁锭置于坩埚中，在氩气保护环境下熔融，然后将上述称取的其余组分添加到熔融的Mg中，搅拌5分钟，将熔体快速升温到720°C左右，保温并静置30分钟后将熔料浇注到预先预热到300°C的模具中，打磨浇口，经250°C退火12小时，在280°C下挤压，挤压速率为O. 5m/min，挤压比为25 :1。
本实施例得到挤压态Mg-Li- (Al、RE)合金Mg-3. 3Li，Mg-3. 3Li_lAl， Mg-8. 5Li, Mg-8. 5Li_lAl，Mg-3. 5Li_2Al_2RE，Mg-3. 5Li_4Al_2RE，Mg-8. 5Li_2Al_2RE 和 Mg-8. 5Li-2Al-3. 5RE，其显微组织如图I所示，依次为图I (a)、图1(b)、图I (C)、图1(d)、 图 I (e)、图 I (f)、图 I (g)和图 I (h)。
由图I可得知，随着Li元素的含量从3. 3%增加到8. 5%，合金的相组成由单相的 α (Mg)转变为双相的a (Mg)+i3 (Li )，添加混合稀土元素后晶粒尺寸明显降低，基体中可观察到金属间化合物的析出。
实施例2、Mg-Li- (Al、RE)合金的室温拉伸性能
将实施例I制备的Mg-Li- (Al、RE)合金按照ASTM-E8-04拉伸测试标准制备拉伸样品，SiC耐水砂纸打磨至2000#，利用通用拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为 lmm/min。
本发明制备的Mg-Li-(A1、RE)合金的室温拉伸性能如图2所示，由图2可得知，随着Li含量的增多，合金的屈服强度和抗拉强度有所下降，延伸率得到了很大程度的提高。 铝元素的添加提高了合金的力学强度和延伸率，稀土元素的添加改善了合金的屈服强度和拉伸强度，但对延伸率影响不大。
实施例3、Mg-Li- (Al、RE)合金的抗腐蚀性能
将实施例I制备的Mg-Li- (A1.RE)合金线切割加工成φ 10><2inm3的圆片状试样， 用砂纸打磨抛光至2000#。然后在37°C的Hank’ s模拟体液中进行电化学试验。
采用本发明得到的Mg-Li- (A1、RE)合金的腐蚀电位-腐蚀电流曲线如图3所示。
本发明制备的Mg-Li- (A1、RE)合金的腐蚀电位-腐蚀电流曲线如图3所示，分析该图可得知，对于未添加RE元素的合金而言，随Li元素含量的增加，合金的耐腐蚀性能下降，表现为腐蚀电位下降，腐蚀电流升高;A1元素的添加引起合金腐蚀电流的下降，提高了合金的耐腐蚀性能。而对于添加了 RE元素的镁合金，表现则恰好相反。
实施例4、
采用实施例3中的方法制备试验样品，紫外照射灭菌2h后按照表面积/浸提液体积比为I. 25cm2 -rn^l的标准制备浸提液(将材料浸泡在不含血清的DMEM培养基中，经72小时后，将培养基取出离心，所得上清液即为浸提液)，采用血管内皮细胞ECV304和血管平滑肌细胞VSMC评价本发明得到的Mg-Li- (Al、RE)合金的细胞毒性。
将细胞在浸提液中分别培养ld、3d和5d后的细胞存活率如图4所示，由该图可得知，随着细胞在合金浸提液中培养时间的延长，ECV304细胞的活性基本无明显变化，而 ECV304细胞的存活率则明显下降，表明Mg-Li- (Al、RE)合金可在不影响血管平滑肌细胞生长的情况下有效抑制血管内皮细胞的生长。
实施例5、
采用实施例3中的方法制备试验样品，将富集血小板的血浆滴于样品表面培养I 小时后采用2. 5%的戊二醛固定并采用浓度分别为50%，60%, 70%, 80%, 90%, 95%，100%的梯度乙醇进行脱水处理，样品表面血小板的形貌如图5所示，由该图可得知，在所有的实验材料表面,血小板均表现为球形,说明材料具有良好的血液相容性。
实施例6、
采用实施例3中的方法制备试验样品，然后按照下述提拉法在其表面涂覆L-聚乳酸(PLLA)以及紫杉醇药物涂层，厚度为1(Γ30μπι，制备PLLA、紫杉醇表面改性材料
(I)使用浓硝酸、氢氟酸配置酸洗液，将样品酸洗20min。·
(2)在IOml三氯乙烷中溶解O. 5gPLLA (分子量8(T200kDa)，15mg紫杉醇。
(3)将酸洗后的合金植入体放入胶体中浸泡30分钟后匀速提拉取出，真空室温干燥过夜，得到PLLA药物涂层的覆膜材料。
权利要求
1.一种Mg-Li系镁合金，其特征在于所述镁合金包括Mg和Li ； 以重量百分比计，所述镁合金中，Li的含量为(TlO%，但不为零。
2.根据权利要求I所述的镁合金，其特征在于所述镁合金还包括Al，所述Al的质量百分含量为(Γ5%，但不为零。
3.根据权利要求2所述的镁合金，其特征在于所述镁合金还包括混合稀土元素，所述混合稀土元素的质量百分含量为0飞％，但不为零。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的镁合金，其特征在于所述镁合金还包括微量元素，所述微量元素为锰、锆、锡和钇中至少一种； 所述镁合金中，所述微量元素的质量百分含量为(Γ2%，但不为零。
5.根据权利要求4所述的镁合金，其特征在于所述镁合金中，锰的质量百分含量不大于I. 5%，锆的质量百分含量不大于1%，锡的质量百分含量不大于2%，以及钇的质量百分含量不大于1%。
6.权利要求1-5中任一项所述的镁合金的制备方法，包括如下步骤将下述I)飞)中任一种物料添加到熔融的Mg中得到熔体；然后将熔体进行熔炼得到熔料；所述熔料经挤压即得所述镁合金； DLi ；2)Li 和 Al ； 3)Li、Al和混合稀土元素； 4)Li和微量元素 5)Li、Al和微量兀素；和 5) Li、Al、混合稀土元素和微量元素。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述熔炼的温度为65(T80(TC，时间为30min 12小时。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于在所述挤压步骤之前，所述方法还包括将所述熔料浇注至预热到200°C 300°C的模具中的步骤； 所述挤压的温度为20(T40(TC，挤压速度为O. f30m/min，挤压比为1(Γ ΟΟ。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于所述方法还包括向所述镁合金的表面涂覆聚合物药物涂层或蛋白药物涂层的步骤； 所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层中的药物为紫杉醇、雷帕霉素、肝素、平滑肌细胞抑制剂、他克莫司、硝普纳等中的一种或多种的任意组合； 所述聚合物药物涂层中的聚合物为壳聚糖、聚氨酯、聚乙二醇、聚酸酐和聚乳酸及其共聚物中至少一种； 所述蛋白药物涂层中的蛋白为磷酸胆碱、胶原蛋白和明胶中至少一种； 所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层的厚度为10ηπΓ50 μ m, 通过浸涂、喷涂、电镀或物理气相沉积法涂覆所述聚合物药物涂层或蛋白药物涂层。
10.权利要求1-5中任一项所述Mg-Li系镁合金在制备医用植入体中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种Mg-Li系镁合金及其制备方法。所述镁合金包括Mg和Li；以重量百分比计，所述镁合金中，Li的含量为0~10%，但不为零，余量为Mg。所述的镁合金的制备方法，包括如下步骤将下述1)~6)中任一种物料添加到熔融的Mg中得到熔体；然后将熔体进行熔炼得到熔料；所述熔料经挤压即得所述镁合金；1)Li；2)Li和Al；3)Li、Al和混合稀土元素；4)Li和微量元素；5)Li、Al和微量元素；和5)Li、Al、混合稀土元素和微量元素。本发明所提供的可降解血管支架用Mg-Li-(Al、RE)系合金，选用生物相容性良好的锂作为合金化元素，改善了传统镁合金普遍具有的塑性较低的缺点。
文档编号A61L27/04GK102978493SQ20121053925
公开日2013年3月20日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者郑玉峰, 周维瑞, 成艳 申请人:北京大学