一种新型可生物降解Mg‑Zn‑Y‑Nd‑Ag抑菌镁合金及其制备方法与流程

本发明属于镁合金生物医用材料制备领域，具体涉及一种新型可生物降解Mg-Zn-Y-Nd- Ag抑菌镁合金及其制备方法。

背景技术：

随着人类进入高龄化步伐的加快、创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展，生物医用材料的发展显得越来越重要。目前，已经应用于临床的生物医用材料主要包括：金属类生物医用材料、有机高分子类生物医用材料、无机非金属类生物医用材料，以及上述几种材料制备的生物医用复合材料。在所有生物医用植入材料中，金属材料应用最早，而且在临床中的应用也最为广泛。

镁是人类新陈代谢所需的物质之一，在人体内的含量仅次于钾、钠、钙，体内的镁50％～60％分布于骨组织中，约25％分布于骨骼肌中，其余分布于肝脏，心脏等组织中，一个质量70kg的成年人体内含有大约1mol的镁。镁几乎参与人体内所有的新陈代谢过程，它能减少血液中胆固醇的含量，防止动脉硬化、高血压和心肌梗死，提高心血管的抗病毒能力。人体内一半的镁是以生物镁的形式储存于骨组织中，镁离子可以促进钙的沉积，是骨生长的必需元素，镁的缺乏会停止骨组织生长、降低成骨细胞和破骨细胞的活性，并导致骨质脆弱。

镁合金具有低密度、高比强度、高比刚度、高弹性模量， 还具有优良的切削加工性能。Mg的密度非常小，为1.74 g/cm³，在所有的结构材料中密度最小，与人体骨的密度接近。镁的断裂韧性比陶瓷生物材料羟基磷灰石要高，而其弹性模量和抗压屈服强度则比其它金属植入材料更接近人体骨，作为骨接板植入人体后，能有效降低“应力遮挡效应”。

由于医用器械以及植入材料中应用较多的是钛合金，但每年因植入材料不具备抗菌性能而引发了极高的感染率和死亡率。根据世界卫生组织( WHO) 颁布的《院内感染防治实用手册》中的有关数据，每天全世界有超过1400万人正在遭受感染的痛苦，其中60%的细菌感染与使用的医疗器械有关。植入体感染的发生主要是在手术部位和手术过程之中。金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌是引起骨科植入器械感染的主要细菌，分别占到34%和32%，其它球菌占到13%。

葡萄球菌等可进入成骨细胞内，产生“内化”效应，使抗生素难以发挥作用，并且抗生素的大量使用会使细菌产生耐药性。因此，开发一种具备抗菌功能的医用可降解镁合金植入材料具有重要的意义。

研究发现，银是一种安全无毒的无机抗菌剂，具有生物安全性高、抗菌谱广、持久性好、不产生耐药性等特点，在所有金属离子中，银离子的抗菌性最强，银的微量释放，有利于抑制植入物周围的细菌性炎症。Mg-Ag合金可以杀死两种常见病原菌—金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的，杀菌率高达90%以上。

银在镁中的固溶度高达15.5%，具有较高的固溶强化作用，并且银可以细化镁合金晶粒，大幅度提高镁合金的力学性能，Ag的添加还可以显著提高Mg-Zn合金的时效硬化效果，在Mg-Al-Zn系合金中加入0.20%~0.35%的Ag，可以提高合金的各项性能指标。Ag可以完全固溶在α-Mg中，提高合金的腐蚀电位，不容易形成第二相，从而提高合金的降解性能。

技术实现要素：

本发明的目的旨在针对目前临床使用的金属植入材料感染率较高的问题，提供一种新型可生物降解Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金，同时提供了该合金的制备方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种新型可生物降解Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金，所述Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金由以下重量百分比的组分组成：Zn：1%-3%，Y(钇)：0.2%-1%，Nd(钕)：0.2%-1%，Ag：0.05%-1.5%，余量为Mg。

一种制备上述新型可生物降解Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金的方法，以高纯镁锭、高纯锌锭、Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金和高纯银丝为炉料熔炼制成铸态Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金，炉料中Zn，Y，Nd的用量为其在Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金中含量的1.2-1.3倍，Ag的用量为其在Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金中含量的1.1-1.2倍。

较好地，Mg-Y中间合金为Mg-30wt%Y中间合金，Mg-Nd中间合金为Mg-30wt%Nd中间合金，高纯镁锭，高纯锌锭和高纯银丝的纯度≥99.9%。

上述新型可生物降解Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金制备方法的具体步骤为：将高纯镁锭在保护气体的保护下加热，待高纯镁锭完全熔化后，加入高纯银丝，将温度升至740℃-800℃，保温30min-50min，然后加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温15min-30min后，加入高纯锌锭，将温度降至680℃-730℃，保温15min-20min，然后搅拌3min-5min，再进行扒渣，浇铸，脱模即制得铸态Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金。

进一步地，保护气体是CO₂和SF₆混合气，其中，CO₂和SF₆体积比为99︰1。

再进一步地，将铸态Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金进行均匀化处理，对均匀化处理后的合金按挤压工艺制成相应的挤压态Mg-Zn-Y-Nd-Ag抑菌镁合金。

较好地，均匀化处理温度为350℃-450℃，时间为24h-120h。

较好地，挤压工艺实施的工艺参数为：挤压温度300℃-450℃，挤压比15-50，挤压速率1m/min -4m/min。

与现有可降解镁合金相比，本发明具有以下优势：

1、与现有的可降解血管支架用镁合金相比，本发明的Mg-Zn-Y-Nd-Ag合金中合金元素含量较低，使合金具有优异的生物相容性，并且Mg、Zn是人体必须的微量元素，Mg²⁺能够刺激骨折端硬骨痂的生成、诱导成骨，促进骨折愈合，并刺激软骨生成，局部的富镁环境可以刺激骨生成、提高成骨细胞黏附率、抑制破骨细胞活性，可降解镁合金材料降解过程中所产生的局部高浓度镁离子能够促进骨和材料界面的结合，不仅有利于骨固定，还可以促进骨愈合；Zn在多种酶及受体功能调节中不可缺少，并且还会影响神经系统的结构和功能。此外，合金中元素偏聚较少，腐蚀速率降低，且腐蚀更加均匀。

2、该合金在降解过程中会产生微量Ag⁺，可以抑制植入物周围的感染，降低手术后的感染率，减少抗生素的使用，降低医疗成本。

本发明的Mg-Zn-Y-Nd-Ag合金具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，同时具备优异的抗菌功能。该合金具有良好的生物相容性，可以满足不同植入物的需求，可用于血管支架、骨板和骨钉等骨植入材料。

附图说明

图1是实施例1所得挤压态Mg-2Zn-0.5Y-0.5Nd-0.2Ag合金的显微组织；

图2是挤压态Mg-2Zn-0.5Y-0.5Nd-0.2Ag合金的腐蚀性能测试结果；

图3是挤压态Mg-2Zn-0.5Y-0.5Nd-0.2Ag合金在SBF中浸泡72 h后腐蚀形貌SEM和EDS。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

实施例1

制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2 wt%Ag镁合金

第一步 铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金的制备，包括以下步骤：

（1） 准备原料：

计算好熔炼所需各合金元素的质量，其中，炉料中Zn，Y，Nd的重量为其在镁合金中含量的1.2-1.3倍，Ag的重量为其在镁合金中含量的1.1-1.2倍。

熔炼1kg该Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金所需炉料质量如下：

高纯镁锭：941.2g；

高纯锌锭：25g；

Mg-30wt%Y中间合金：20.8g；

Mg-30wt%Nd中间合金：20.8g；

高纯银丝：2.2g；

高纯镁锭，高纯锌锭和高纯银丝的纯度≥99.9%。

（2） 制备铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金：

a、将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具加热150℃，刷上一层均匀薄薄的涂料，然后放入干燥箱中烘干，同时烘干炉料；

b、将坩埚放入电阻炉中，将温度升至400℃时，通入CO₂和SF₆的混合气体作为保护气体，其中CO₂和SF₆的流量比为99︰1；

c、通入保护气体12分钟后加入高纯镁锭，在保护气体的保护下400℃预热15min，然后将温度升至700℃，保温20min；

d、待高纯镁锭完全熔化后，加入高纯银丝，将温度升至750℃，保温30min；

e、然后加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温20min；

f、最后加入高纯锌锭，同时将温度降至700℃，保温15min；尤其需要注意的是，添加炉料的过程中一直不间断地向电阻炉中通有保护气(二氧化碳和六氟化硫的体积流量比为99︰1)；

g、搅拌，搅拌速度要均匀，逆时针方向，搅拌5分钟后，扒渣，静置20分钟；

h、浇铸前对模具通入上述CO₂和SF₆的混合气体2min，浇口靠近漏斗处，保持平稳；

i、浇铸完毕以后，立刻把残余合金液倒出，将坩埚自然冷却到100℃左右，倒进开水浸泡10min左右，清理坩埚，熔炼即宣告结束；

j、脱模后即制得铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金。

（3） 制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金：

将步骤（2）中制备的铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金进行均匀化退火，退火温度430℃，退火时间24h。将合金加工成直径20mm的圆柱，将表面打磨干净，采用本领域技术人员公知常用的挤压技术进行挤压制得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金，挤压工艺过程的参数设置为：挤压温度320℃，挤压比：25，挤压速率：1m/min。

实施例2

制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金

第一步 铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金的制备，包括以下步骤：

（1）准备原料：

计算好熔炼所需各合金元素的质量，其中，炉料中Zn，Y，Nd的用量为其在镁合金中含量的1.2-1.3倍，Ag的用量为其镁合金中含量的1.1-1.2倍。

熔炼1.1kg该Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金所需炉料质量如下：

高纯镁锭：1210g

高纯锌锭：32.2g

Mg-30wt%Y中间合金：26.8g

Mg-30wt%Nd中间合金：26.8g

高纯银丝：5.7g

高纯镁锭，高纯锌锭和高纯银丝的纯度≥99.9%。

（2）制备铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金：

a、将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具加热到180℃，刷上一层均匀薄薄的涂料，然后放入干燥箱中烘干，同时烘干炉料；

b、将坩埚放入电阻炉中，将温度升至450℃，待温度达到时，通入CO₂和SF₆的混合气体作为保护气体，其中CO₂和SF₆的流量比为99︰1；

c、通入上述保护气体15分钟后加入高纯镁锭，在保护气体的保护下450℃预热20min，然后将温度升至720℃，保温20min；

d、待高纯镁锭完全熔化后，加入高纯银丝，将温度升至750℃，保温30min；

e、然后加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温20min；

f、最后加入高纯锌锭，同时将温度至720℃，保温15min；尤其需要注意的是，添加炉料的过程中一直不间断地向电阻炉中通有保护气体(二氧化碳和六氟化硫的体积流量比为99︰1)；

g、搅拌，搅拌速度要均匀，逆时针方向，搅拌5分钟后，扒渣，静置30分钟；

h、浇铸前对模具通入上述CO₂和SF₆的混合气体3min，浇口靠近漏斗处，保持平稳；

i、浇铸完毕以后，立刻把残余合金液倒出，将坩埚自然冷却到100℃左右，倒进开水浸泡15min左右，清理坩埚，熔炼即宣告结束；

j、脱模后即制得铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金。

（3）制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金：

将步骤（2）中制备的铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金进行均匀化退火，退火温度430℃，退火时间36h。将合金加工成直径20mm的圆柱，将表面打磨干净，采用本领域技术人员公知常用的挤压技术进行挤压制得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金，挤压工艺过程的参数设置为：挤压温度320℃，挤压比：25，挤压速率：2m/min。

实施例3

制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金

第一步 铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金的制备，包括以下步骤：

（1）准备原料：

计算好熔炼所需各合金元素的质量，其中，炉料中Zn，Y，Nd的用量为其在镁合金中含量的1.2-1.3倍，Ag的用量为其在镁合金中含量的1.1-1.2倍。

熔炼1.3kg该Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金所需炉料质量如下：

高纯镁锭：1020g

高纯锌锭：27.2g

Mg-30wt%Y中间合金：22.8g

Mg-30wt%Nd中间合金：22.8g

高纯银丝：7.3g

高纯镁锭，高纯锌锭和高纯银丝的纯度≥99.9%。

（2）制备铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金：

a、将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具加热到180℃，刷上一层均匀薄薄的涂料，然后放入干燥箱中烘干，同时烘干炉料；

b、将坩埚放入电阻炉中，将温度升至450℃，待温度达到时，通入CO₂和SF₆的混合气体作为保护气体，其中CO₂和SF₆的流量比为99：1；

c、通入上述保护气体15分钟后加入高纯镁锭，在保护气体的保护下450℃预热20min，然后将温度升至730℃，保温20min；

d、待高纯镁锭完全熔化后，加入高纯银丝，将温度升至770℃，保温40min；

e、然后加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温30min；

f、最后加入高纯锌锭，同时将温度降至730℃，保温20min；尤其需要注意的是，添加炉料的过程中一直不间断地向电阻炉中通有保护气体(二氧化碳和六氟化硫的体积流量比为99︰1)；

g、搅拌，搅拌速度要均匀，逆时针方向，搅拌5分钟后，扒渣，静置30分钟；

h、浇铸前对模具通入上述CO₂和SF₆的混合气体3min，浇口靠近漏斗处，保持平稳；

i、浇铸完毕以后，立刻把残余合金液倒出，将坩埚自然冷却到100℃左右，倒进开水浸泡15min左右，清理坩埚，熔炼即宣告结束；

j、脱模后即制得铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金。

（3）制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金：

将步骤（2）中制备的铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金进行均匀化退火，退火温度430℃，退火时间72h。将合金加工成直径20mm的圆柱，将表面打磨干净，采用本领域技术人员公知常用的挤压技术进行挤压制得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金，挤压工艺过程的参数设置为：挤压温度350℃，挤压比：25，挤压速率：2m/min。

实施例4

制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金

第一步 铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金的制备，包括以下步骤：

（1）准备原料：

计算好熔炼所需各合金元素的质量，其中，炉料中Zn，Y，Nd的用量为其在镁合金中含量的1.2-1.3倍，Ag的用量为其在镁合金中含量的1.1-1.2倍。

熔炼1.3kg该Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金所需炉料质量如下：

高纯镁锭：1245g

高纯锌锭：33.3g

Mg-30wt%Y中间合金：27.7g

Mg-30wt%Nd中间合金：27.7g

高纯银丝：11.8g

高纯镁锭，高纯锌锭和高纯银丝的纯度≥99.9%。

（2）制备铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金：

a、将坩埚、扒渣工具、搅拌棒以及模具加热到180℃，刷上一层均匀薄薄的涂料，然后放入干燥箱中烘干，同时烘干炉料；

b、将坩埚放入电阻炉中，将温度升至450℃，待温度达到时，通入CO₂和SF₆的混合气体作为保护气体，其中CO₂和SF₆的流量比为99︰1；

c、通入混合保护气20分钟后加入高纯镁锭，在保护气体的保护下450℃预热20min，然后将温度升至750℃，保温30min；

d、待高纯镁锭完全熔化后，加入高纯银丝，将温度升至800℃，保温40min；

e、然后加入Mg-Y中间合金、Mg-Nd中间合金，保温30min；

f、最后加入高纯锌锭，同时将温度降至750℃，保温25min；尤其需要注意的是，添加炉料的过程中一直不间断地向电阻炉中通有保护气体(二氧化碳和六氟化硫的体积流量比为99︰1)

g、搅拌，搅拌速度要均匀，逆时针方向，搅拌5分钟后，扒渣，静置40分钟；

h、浇铸前对模具通入上述CO₂和SF₆的混合气体3min，浇口靠近漏斗处，保持平稳；

i、浇铸完毕以后，立刻把残余合金液倒出，将坩埚自然冷却到100℃左右，倒进开水浸泡15min左右，清理坩埚，熔炼即宣告结束；

j、脱模后即制得铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金。

（3）制备挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金：

将步骤（2）中制备的铸态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金进行均匀化退火，退火温度430℃，退火时间120h。将合金加工成直径20mm的圆柱，将表面打磨干净，采用本领域技术人员公知常用的挤压技术进行挤压制得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金，挤压工艺过程的参数设置为：挤压温度360℃，挤压比：25，挤压速率：2m/min。

经检测实施例1制备的挤压态Mg-2wt%Zn-0.5 wt%Y-0.5 wt%Nd-0.2 wt%Ag镁合金，实施例2制备的挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.4wt%Ag镁合金，实施例3制备的挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.6wt%Ag镁合金，和实施例4制备的挤压态Mg-2wt%Zn-0.5wt%Y-0.5wt%Nd-0.8wt%Ag镁合金的室温抗拉强度分别达到286MPa，292MPa，310MPa和277MPa，屈服强度分别为98MPa，101MPa，101MPa，114MPa。

抑菌实验表明，实施1至4制得的镁合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率均达到99.9%以上。

实施例1所得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5 wt%Y-0.5 wt%Nd-0.2wt%Ag镁合金的显微组织如图1所示，从图1中可以看出该合金经挤压加工后的组织均匀，晶粒细小，平均晶粒尺寸为13μm，第二相分布均匀且弥散。

实施例1所得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5 wt%Y-0.5 wt%Nd-0.2 wt%Ag镁合金的腐蚀性能测试结果如图2所示，从图2中可以得出，该合金的腐蚀电位为-1.60V，腐蚀电流密度为1.38×10^-4A•cm^-2，其腐蚀性能满足生物医用镁合金要求。

实施例1所得挤压态Mg-2wt%Zn-0.5 wt%Y-0.5 wt%Nd-0.2 wt%Ag镁合金在SBF中浸泡72 h后腐蚀形貌SEM和EDS如图3所示，从图3中可以看出，合金经腐蚀后主要形成了以氢氧化镁以及Ca-P盐为主的腐蚀产物，在图中A点中检测到了大量的Ag元素的存在，这说明了合金中的Ag是以Ag离子的形式析出的。