一种可降解骨植入镁合金及其制备方法与流程

本发明涉及的是一种可降解骨植入镁合金及其制备方法，本发明设计了一种适合作为人体环境下使用的可耐腐蚀降解骨植入材料，属于镁合金技术领域。

背景技术：

人类在运动、工作和生活过程中经常出现意外受伤，从而造成不同程度的骨折或骨组织损伤。另外，随着我国人口的逐渐老龄化，骨损缺也越来越严重，所以骨缺损治疗是现代医疗技术中应当马上攻克的难题。

生物镁合金是近几年兴起的一种生物医用金属材料。与常见的不锈钢、钛合金、钴合金等金属基生物材料不同，镁合金的密度、弹性模量和力学性能等与人体自然骨骼更接近，具有更好的生物相容性，可以有效降低应力屏蔽效应。应力屏蔽是指由于固定材料的力学分流对骨骼所造成的强度降低及愈合延迟等生物学影响。不锈钢等高强度医用合金极易对受伤骨形成应力屏蔽，导致骨诱导能力下降，新骨的强度降低，延缓愈合时间，引起局部骨质疏松和骨皮质变薄，植入材料取出后易发生再次骨折。而且这类惰性医用金属材料长期存在于体内可能会因运动摩擦和腐蚀释放出有毒离子，造成局部过敏或炎症反应，如镍离子对人体有致敏反应，钴元素可干扰细胞中某些核酸的代谢，可诱导机体发生癌变。另外，由于此类材料植入体内不能自发降解，必须通过二次手术将植入件取出，也增加了医疗成本和患者的痛苦。

近年来镁合金作为可降解生物植入材料研究热点主要集中于对镁合金耐蚀性能和力学性能的提升。实际上，镁合金的低耐蚀性既是其作为可降解材料的基本性质，但降解过快又是限制其在临床应用的一大制约因素。众多学者对如何提高其耐蚀性提出了各种思路和方法，但对镁合金腐蚀之后的产物释放、结构完整性和力学性能变化考虑较少。一方面，快速腐蚀会生成mg²⁺、h²、oh^-、腐蚀沉淀等，甚至材料以颗粒形式直接脱落，对受伤组织和人体健康造成影响。另一方面，人体或动物大多数时间处于自由活动状态，这会使植入材料受到各种拉伸、压缩、剪切、磨损等多种力的作用，可能使镁合金失效加快或断裂，造成二次骨折的危险，因此腐蚀造成的力学性能变化也必须得到重视。针对现有的医用植入金属材料的缺陷，开发具有较好力学相容性，并且可在人体内降解，无毒副作用的新型医用金属植入材料具有重要意义。本发明选用有较好生物相容性合金化元素mn、zn、ca，同时通过热加工的方法提高镁合金的力学及耐蚀性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可降解骨植入镁合金及其制备方法，通过优化设计镁合金的制备方法，使镁合金获得细小均匀的组织，从而提高材料的力学性能及耐蚀性能，开发能满足骨植入材料需求的可降解镁合金。

本发明所述目的的实现包括以下步骤：

该材料的主要组成元素为mg、zn、mn、ca等元素，且质量百分含量为zn3-5％，mn0.2％，ca0.2％，其余为mg和不可避免的杂质元素。

一种可降解骨植入镁合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)原材料加工成铸锭如φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在300℃-400℃保温0-24h，随后对铸锭进行空冷或水冷；

(2)将热处理之后的样品及挤压所用模具放入加热炉加热至270℃-300℃，并保温15min，采用反挤压工艺进行挤压，挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。

(3)挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等；随后进行退火处理，即在300℃保温0-20min，最后对样品进行空冷。

本发明的有益效果在于：

1.本发明制备了一种具有较好生物相容性且可耐腐蚀降解骨植入材料。

2.本发明挤压工艺采用反挤压，挤压筒壁与坯料之间无相对滑动，不产生摩擦损耗，沿制品截面上和长度上的变形更均匀。

3.本发明可降解生物镁合金挤压温度在再结晶温度以上，得到比较均匀的组织。

4.本发明可降解生物镁合金通过一系列热处理工艺，得到较高的力学性能及耐蚀性能。

5.本制备方法具有原材料成本低、制备工艺简单易操作等优点。

6.本发明的生物医用镁合金其应用特征在与制备骨钉、骨板等骨科植入物，所以本发明要求具有一定的腐蚀速率和力学性能。低温(270℃-300℃)反挤压工艺制备该合金，抗拉强度可达250-350mpa，屈服强度可达190-250mpa，断后伸长率不低于15％，显微硬度不低于60维氏硬度(hv)，在hank’s模拟体液中的腐蚀速率小于0.5mm/y。本发明定量的分析镁合金长期腐蚀后力学性能的变化，该合金特征在于腐蚀6个月后，屈服强度不低于30mpa，该合金材料的应用特征在于制备骨板、骨钉等骨植入物。

附图说明

图1为实施例1中镁合金的应力应变曲线；

图2为实施例2中镁合金的光学金相照片；

图3为实施例2中镁合金的极化曲线；

图4为实施例2中镁合金的力学性能随腐蚀时间的变化曲线；

图5为实施例2中镁合金的骨植入物实物图。

具体实施方式：

如下结合具体的实施案例进一步说明本发明，需要指出的是：以下实施案例只用于说明本发明的具体实施方法，并不能限制本发明权利保护范围。

实施例1

1、该材料的主要组成元素为mg、zn、mn、ca等元素，按照mg-3.0wt％zn-0.2wt％mn-0.2wt％ca的原则设计合金。

2、原材料加工成φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在375℃保温24h，随后对坯锭进行水冷。

3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至290℃，并保温15min。

4、挤压时先沿中心轴依次从挤压筒底内装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压；挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。

5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。

6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等。随后进行退火处理，即在300℃保温10min，最后对样品进行空冷。

7、按上述方法所得材料的抗拉强度268mpa，屈服强度190mpa，断后伸长率21％，腐蚀速率0.23mm/y。

实施例2

1、该材料的主要组成元素为mg、zn、mn、ca等元素，按照mg-4.0wt％zn-0.2wt％mn-0.2wt％ca的原则设计合金。

2、原材料加工成φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在360℃保温0h，随后对坯锭进行空冷。

3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至280℃，并保温15min。

4、挤压时先从挤压筒底装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压。挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。

5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。

6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等。随后骨植入物进行退火处理，即在300℃保温10min，最后对样品进行空冷。

7、按上述方法所得材料的抗拉强度297mpa，屈服强度210mpa，断后伸长率23％，腐蚀速率0.21mm/y。

实施例3

1、该材料的主要组成元素为mg、zn、mn、ca等元素，按照mg-5.0wt％zn-0.2wt％mn-0.2wt％ca的原则设计合金。

2、原材料加工成φ35×30mm的铸锭，采用大型箱式热处理炉，对合金铸锭进行均匀化热处理，即在330℃保温24h，随后对坯锭进行水冷。

3、热处理之后的坯料用砂纸打磨除去表面的油渍、氧化层等其它异物，以防止燃烧。挤压前上模具、下模具、坯料、石墨垫都要放入加热炉加热至270℃，并保温15min。

4、挤压时先从挤压筒底装入下模具，然后装入挤压坯料，再装入石墨垫，最后装入上模具，此时，对正挤压杆和挤压筒，进行挤压。挤压过程中下模具、坯料和上模具都要涂抹二硫化钼润滑油，装模具和坯料要迅速。

5、挤压比为10:1，挤压速率3.0mm/s，挤压结束后，挤出的棒材从挤压机上端取出，退出挤压模具，清除模具上残留的镁合金，挤压后的棒材在空气中自然冷却。

6、挤压所得棒材，机加工出力学标准样、骨钉及骨板等，随后进行退火处理，即在300℃保温20min，最后对样品进行水冷。

7、按上述方法所得材料的抗拉强度305mpa，屈服强度247mpa，断后伸长率16％，腐蚀速率0.43mm/y。

尽管这里已详细列出并说明了优选实施案例，但本领域技术人员可知，可在不脱离本发明精髓的情况下进行各种改进、添加、替换等方式，这些内容都被认定为属于权利要求所限定的本发明的范围之内。