专利名称：一种Mg-Sr-Zn系合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Mg-Sr-Zn系合金及其制备方法，属于医用金属材料领域。
背景技术：
目前医用生物可降解材料主要为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羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙酸内酯(PCL)及其共聚物、天然多糖类材料(纤维素、甲壳素)和天然蛋白质材料(胶原、纤维蛋白)等，虽然这种材料能够完全被人体吸收，但其强度低，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。可降解陶瓷材料包括羟基磷灰石、α -磷酸三钙、β -磷酸三钙和磷酸氧四钙，但是这种材料的韧性差，无法协调变形。
生物医用金属材料因其优良的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性，在医疗器械领域广泛使用。目前生物医用金属材料主要为316L、317L、304V不锈钢、Co-Cr-Mo合金、纯钛、 Ti-6Al-4V、TiNi合金等，其主要缺点是不可降解，在体内将永久性以“异体”形式存在。同时，不锈钢、Co-Cr-Mo合金和钛合金的力学性能尤其是弹性模量与骨组织不匹配，如不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金约为lOOGPa，而骨组织的弹性模量只有10_40GPa，因此导致金属植入体植入后将承载几乎全部载荷，造成骨组织的应力遮挡现象，即植入体周围骨组织萎缩或疏松。发明内容
本发明的目的是提供一种Mg-Sr-Zn系合金及其制备方法，本发明提供的医用植入体为一种可降解吸收、力学性能与骨组织匹配、生物相容性与耐腐蚀性能良好的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金医用植入体。
本发明所提供的一种Mg-Sr-Zn系合金,包括Mg、Sr和Zn ；
以重量百分比计，所述合金中，Sr的含量为(Γ5%，但不为零，Zn的含量为(Γ2%，但不为零，本发明提供的合金可为致密结构或多孔结构。
上述的合金中，所述合金还包括微量元素,所述微量元素具体可为猛、错、锡、稀土和钇中至少一种；
所述合金中中，所述微量元素的质量百分含量可为(Γ2%，但不为零。
上述的合金中，所述合金中，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%，稀土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%。
上述的合金中，所述合金的表面还涂覆可降解高分子涂层或可降解陶瓷涂层。
上述的合金中的具体组成如下由Mg、Sr和Zn组成，Sr的质量百分含量为2°/Γ5%、 Zn的质量百分含量为1% 2%和余量的Mg，具体可为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 组成，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层可为聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、 L-聚乳酸(PLLA)、聚己酸内酯(PCL)、聚氰基丙烯酸酯(PACA)、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸类聚合物、聚β -羟基丁酸酯和羟基戊酸酯或其共聚物中的一种或一种以上混合物；
所述可降解陶瓷涂层可为羟基磷灰石、含锶羟基磷灰石、含氟羟基磷灰石、α -磷酸三钙、磷酸三钙和磷酸氧四钙中的一种或一种以上混合物；
所述可降解高分子涂层或可降解陶瓷涂层的厚度均可为O. Of 5mm。
本发明提供了上述的合金的制备方法，包括如下步骤将所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一种方式进行混合得到混合物
I) Mg、Sr 和 Zn;和
2) Mg、Sr、Zn 和微量元素；
在CO2和SF6气氛保护下，将所述混合物进行熔炼，即得到所述合金，为致密结构。
上述的制备方法中，所述熔炼的温度可为70(T85(TC，所述熔炼的时间可为 30mirT4h，如在 850°C下反应 30min。
所述Sr可以Mg-Sr中间合金的形式进行添加。
上述的制备方法中，所述方法还包括将所述合金进行机械加工的步骤；所述机械加工为轧制、锻造、挤压和快速凝固中的一种或一种以上加工方法；
所述轧制包括如下步骤将所述合金进行固溶处理，然后依次经粗轧、中轧和精轧；如在30(T500°C下固溶处理2 20小时，然后在40(T500°C进行粗轧，道次压下量为 10 15% ;在35(T400°C进行中轧，道次压下量30 60% ;在20(T350°C进行精轧，道次压下量 5 10% ；
所述锻造的温度可为20(T400°C，锻造速率可为200mm/iT400mm/S，锻造率可为 5% 15% ；
所述挤压的温度可为20(T40(TC，如270°C，挤压速率可为O. f50mm/min，如2mm/ min，挤压比可为10 100，如25 ；
所述快速凝固是采用高真空快淬系统在Ar气保护下制成快速凝固薄带，其中加料量为2 8g，感应加热功率为3 7kW，喷嘴与辊间距为O. 8mm,喷射压力为O. 05、. 2MPa，辊轮转速为50(T5000r/min，喷嘴狭缝尺寸为IfilmX8mmX6mm ;然后将薄带破碎成粉末状， 200^350 °C真空热压为I 24h，制成Mg-Sr-Zn系合金挤压坯，然后于200 400 °C范围内挤压， 挤压比为10 60。
本发明还提供了另一种上述的合金的制备方法，包括如下步骤将所述Mg、Sr、Zn 和微量元素按照下述I) 2)中任一种方式进行混合得到混合物
I) Mg、Sr 和 Zn ;和
2) Mg、Sr、Zn 和微量元素；
将所述混合物进行烧结，然后经冷却即得到所述合金，即为多孔结构；
所述烧结为下述任一种方法元素粉末混合烧结法、预合金粉烧结法和自蔓延高温合成法。
所述元素粉末混合烧结法包括如下步骤在Ar气保护气氛的条件下进行烧结，以 2 4°C /min的速率升温至20(T50(TC后，接着以30°C /min的速率升温至650°C，烧结I 12小时，然后炉冷降温，得到多孔结构的医用植入体。
所述预合金粉烧结法包括如下步骤将所述混合物置于30(T650°C的条件下进行热处理f 12小时，如在650°C的条件下热处理4小时得到多孔结构的合金。
所述自蔓延高温合成法包括如下步骤在惰性气体保护下，气体压力 I X IO3-I X IO5Pa, 20(T700°C下点燃所述混合物进行自蔓延高温合成，得到多孔结构的合金。
上述的制备方法中，所述方法还包括向所述合金的表面涂覆所述可降解高分子涂层或可降解陶瓷涂层的步骤；
通过提拉法或匀胶法涂覆所述可降解高分子涂层；
通过离子喷涂、电沉积或阳极氧化方法涂覆所述可降解陶瓷涂层；
所述可降解高分子涂层和可降解陶瓷涂层的厚度可为5 50微米，如1(Γ30微米。
所述提拉法包括如下步骤将Mg-Sr-Zn系合金进行酸洗，同时将所述可降解高分子涂层的材料溶解在有机溶剂中制成高分子材料胶体，然后将酸洗后的Mg-Sr-Zn系合金在高分子材料胶体中浸涂后匀速拉出进行离心处理，得到表面涂覆有可降解高分子涂层的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金医用植入体。所述有机溶剂优选三氯乙烷。
所述匀胶法包括如下步骤将Mg-Sr-Zn系合金进行酸洗，同时将所述可降解高分子涂层的材料溶解在有机溶剂中制成高分子材料胶体，然后将高分子材料胶体滴在合金表面，利用匀胶机高速旋转使胶体铺展到合金上形成薄层，干燥以去除多余溶剂，多次涂覆以达到最佳效果，得到表面涂覆有可降解高分子涂层的可降解吸收性Mg-Sr-Zn系合金医用植入体。所述有机溶剂优选三氯乙烷。
所述等离子体喷涂采用的等离子气体主气为Ar 30 100scfh,次气为Η25 20scfh, 喷涂电流40(Γ800Α，喷涂电压4(T80V，喷涂距离100 500臟。
所述电沉积，是以Mg-Sr-Zn系合金为阴极，在含钙、磷、氟或锶盐的电解液中，电流密度为O. 5 30mA/cm2，温度为25 85°C，处理l(T60min后，清洗干燥得到所述医用植入体。
所述阳极氧化方法，是将Mg-Sr-Zn系合金在钙、磷、氟或锶盐的电解液中， 200 500V下氧化5 30min。
本发明还提供了上述Mg-Sr-Zn系合金在制备医用植入体中的应用，如在骨组织修复支架中的应用。
本发明提供的合金能够作为医用植入体的原理为(1)从生物相容性的角度来看，镁是人体的必需元素，因此肾功能正常者每天用4 6g镁，一般不会引起毒副作用；从材料学角度来看，镁合金密度(I. 75^1. 85g/cm3)与人体密致组织(I. 75g/cm3)相近，弹性模量约为45GPa，不到医用钛合金弹性模量(109-112GPa)的1/2，能有效缓解骨科植入物的应力遮挡效应；而且，镁合金化学性质活泼，在含有Cl-的人体体液环境中可腐蚀降解。(2)锶是人体的微量元素，99%存在于骨和牙齿；Sr盐可以促进骨组织形成，抑制骨吸收，从而增加骨量和提高骨强度，治疗骨质疏松。从材料学角度来看，适量添加Sr可以提高镁合金的室温和高温强度，改善镁合金的高温蠕变性能和抗热裂性，提高镁合金的耐腐蚀性能。(3) 锌是人体的必需微量元素。机体内的锌几乎全部是以结合到细胞蛋白质的Zn2+形式存在。 冶金学上，锌在镁中的最大固溶度为6. 2%，具有固溶强化和时效强化的作用，可显著提高镁合金室温强度，提高镁合金的耐腐蚀性。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果
(I)本发明的可降解吸收Mg-Sr-Zn系镁合金，选用人体必需金属元素，不含有害或潜在有害元素，其中的合金化元素Sr可促进成骨，抑制骨吸收，从而伴随Mg-Sr-Zn系合金降解促进组织愈合。
(2)本发明的Mg-Sr-Zn系镁合金的制备方法，工艺简单，通过成分设计和制备工艺的配合，实现调控医用植入体的力学性能和降解速度，获得最佳的力学性能和耐腐蚀性倉泛。
图I为实施例I制备的铸态Mg-Sr-Zn合金显微组织。
图2为实施例I铸态Mg-Sr-Zn合金和实施例2制备的轧态Mg-Sr-Zn合金室温拉伸性能。
图3为实施例2制备的轧态Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的X射线图。
图4为实施例2制备的轧态Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的micro-CT 3D重建图。
图5为实施例2制备的轧态Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的micro-CT 2D 图。
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。
实施例I、制备铸态Mg-Sr-Zn合金及其拉伸性能
试验原料采用纯Mg (99. 95wt. %)、纯Zn和Mg-Sr中间合金,按照配比Sr 2%、Zn 1%和余量为Mg称取原料Mg、Mg-Sr中间合金和Zn。
在0)2和SF6气氛保护下熔化纯镁锭，温度升高至750°C加入Mg-Sr中间合金，待其熔化后搅拌IOmin,随后加入Zn,搅拌IOmin,使合金化元素Sr和Zn均勻化。升温至750°C 后保温30min，将熔体浇注到预热至300°C的模具中进行重力铸造，制得Mg-Sr-Zn铸锭。
本实施例制备的铸态Mg-Sr-Zn合金显微组织如图I所示，由该图可得之，本实施例制备的铸态Mg-Sr-Zn合金晶粒直径小于100 μ m，在晶粒内部有二次相析出。
将本实施例制备的铸态Mg-Sr-Zn合金按照ASTM拉伸标准线切割加工成拉伸标准样，SiC耐水砂纸打磨至2000#，利用通用拉伸试验机进行室温拉伸实验进行室温拉伸试验，拉伸速度为lmm/min。
本实施例制备的铸态Mg-Sr-Zn合金的室温拉伸性能如图2所示(黑色柱状图)。
实施例2、制备轧态Mg-Sr-Zn合金及其拉伸性能
按照实施例I中的步骤制备铸态Mg-Sr-Zn合金，然后将该铸态Mg-Sr-Zn合金加工成5_厚板材,砂纸打磨至无明显缺陷,于400°C的条件下固溶处理3小时,进行轧制依次进行粗轧、中轧和精轧在450°C下进行粗轧，道次压下量为10%，在400°C下进行中轧，道次压下量为50%，在350°C下进行粗轧，道次压下量为10%，最终轧制到2mm厚薄板。
将本实施例制备的轧态Mg-Sr-Zn合金按照ASTM拉伸标准线切割加工成拉伸标准样，SiC耐水砂纸打磨至2000#，利用通用拉伸试验机进行室温拉伸实验，拉伸速度为1mm/ min。
本实施例制备的轧态Mg-Sr-Zn合金的室温拉伸性能如图2所示(灰色柱状图)，由该图可得知，轧态Mg-Sr-Zn合金的屈服强度和拉伸强度举要明显高于铸态，但是二者断裂伸长率差别不大，但铸态合金断裂伸长率要稍长一些。
将本实施例制备的轧态Mg-Sr-Zn合金加工成Φ0. 7mm和长5mm的棒材,打磨抛光至2000#砂纸，环氧乙烷消毒。选择8只3个月C57BL/6小鼠，随机分为两组，每组4只。其中一组麻醉并对左侧膝盖备皮并消毒，股骨远端钻直径为O. 7mm圆孔，将合金棒植入孔内并缝合。另外一组小鼠左侧股骨钻孔作为空白对照。术后定期观察没有发现植入体引起周围组织发炎等异物反应。术后4周发现成骨反明显，骨小梁密度高于对照组，外骨膜和内骨膜成骨均高于对照组。
采用本实施例得到的轧态Mg-Sr-Zn合金植入小鼠骨髓腔4周后的X射线和 micro-CT观察结果如图3、图4和图5所示，由这些结果可得知，在植入小鼠骨髓腔4周后， 合金植入物已经有部分降解，在降解部位有新骨生成。
实施例3、挤压态Mg-Sr-Zn-Sn合金的制备及其生物相容性与可降解性
试验原料采用纯Mg (99. 95wt. %)、Mg-Sr中间合金、纯Zn和纯Sn,按照配比Sr 3%、Zn1. 5%、Sn O. 5%和余量为Mg称取原料Mg、Mg-Sr中间合金、Zn和Sn。
在0)2和SF6气氛保护下熔化纯镁锭，温度升高至750°C加入Mg-Sr中间合金，待其熔化后搅拌1Omin,随后加入Zn和Sn,搅拌IOmin,使合金化元素Sr、Zn和Sn均勻化。升温至 750°C后保温30min，将熔体浇注到预热至300°C的模具中进行重力铸造，制得Mg-Sr-Zn-Sn 铸锭。将制得的铸锭400°C保温3小时，进行挤压，挤压速率为2mm/min，挤压比25 :1，挤压温度270 0C ο
取上述方法制得的挤压态Mg-Sr-Zn-Sn合金加工成螺钉植入18只新西兰白兔左侧股骨，对侧植入纯Ti螺钉。术后1个、6个和12个月分别处死实验动物，18只兔子均没有发现植入体引起周围组织发炎等异物反应，术后12个月Mg-Sr-Zn-Sn合金植入体体积减少58%，降解处均被新骨填充。
实施例4、制备多孔结构的Mg-Sr-Zn合金及其骨组织匹配性能
将纯Mg (纯度为99. 95%)、纯Sr (纯度为99. 9%)和纯Zn (纯度为99. 999%)按质量比为93 5 :2的比例，混合均勻，压制成还，在真空烧结炉(VSF系列(通用型)真空烧结炉， 沈阳真空技术研究所)中烧结，具体烧结的步骤为以2°C /min慢速升温至300°C后，接着以30°C /min快速升温至650°C，然后在此温度下保持4h，最后，炉冷降温，用预合金粉烧结法得到多孔结构的Mg-Sr-Zn合金。
经排水法测量空隙率为50%，将该多孔结构的Mg-Sr-Zn合金经切割制备成尺寸为 5X5X5mm3的立方体，即得到医用植入体-骨组织修复支架。
将按照上述方法制备的骨组织修复支架植入体12个，分别利用手术埋植于12只家兔的股骨内，首先用f=3mm手钻在家兔股骨处钻孔后将植入体埋植入左侧股骨，术后注射青霉素钾15mg/kg，实验以316L不锈钢(西北有色金属研究院)支架作为对照；术后I个、 5个月分别处死实验动物。术后1个月，micro-CT观察家兔股骨处该合金材料由于腐蚀降解体积逐步减小，材料周围的骨组织修复受损骨且接触紧密。骨组织修复支架植入体植入 5月后，均完全降解，而316L不锈钢支架周围组织发炎。
实施例5、表面涂覆L-聚乳酸(PLLA)的轧态Mg-Sr-Zn合金的制备及其可降解性
按照实施例2中的方法制备轧态Mg-Sr-Zn合金，然后按照下述提拉法在其表面涂覆PLLA涂层，厚度为1(Γ30 μ m，制备PLLA表面改性骨固定板
(I)使用浓硝酸、氢氟酸配置酸洗液，将骨固定板酸洗5 20min。
(2)在 IOml 三氯乙烷中溶解 O. 5gPLLA (分子量8(T200kDa)。
(3)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。
(4)消毒处理，准备待用。
将制得的PLLA表面改性Mg-Sr-Zn骨固定板固定于狗的股骨中。通过定期的观察没有发现植入体引起周围组织发炎等异物反应。观察发现随着植入时间的延长，PLLA逐渐溶解，骨固定板尺寸变小，同时与连接骨处连接紧密。7个月后，植入骨固定板完全降解。
实施例6、表面涂覆I丐磷涂层的轧态Mg-Sr-Zn合金的制备及其可降解性能
按照实施例2中的方法制备轧态Mg-Sr-Zn合金一骨固定板，用800#、1500#和 2000#砂纸打磨骨固定板，然后按照阳极氧化方法在其表面涂覆钙磷，厚度为1(Γ30μπι:以 O. 04Μ β -甘油磷酸钠和O. 2Μ醋酸钙作为电解液
(I)骨固定板在pH :10 11电解液中350V阳极氧化lOmin。
(2)清洗后将样品置于高压反应釜中130°C保温4h。
(3)消毒处理，准备待用。
将制得的阳极氧化和水热合成共同表面改性骨固定板固定于狗的股骨中。通过定期的观察没有发现植入体引起周围组织发炎等异物反应。观察发现随着植入时间的延长， 表面涂层逐渐与骨融合，骨固定板尺寸变小。12个月后，植入骨固定板完全降解。
权利要求
1.一种Mg-Sr-Zn系合金,其特征在于所述合金包括Mg、Sr和Zn ；以重量百分比计，所述合金中，Sr的含量为(Γ5%，但不为零，Zn的含量为(Γ2%，但不为零。
2.根据权利要求I所述的合金，其特征在于所述合金还包括微量元素，所述微量元素为锰、锆、锡、稀土和钇中至少一种；所述合金中，所述微量元素的质量百分含量为(Γ2%，但不为零。
3.根据权利要求2所述的合金，其特征在于所述合金中，锰的质量百分含量不大于 1.5%，锆的质量百分含量不大于1%，锡的质量百分含量不大于2%，稀土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%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的合金，其特征在于所述合金的表面还涂覆可降解高分子涂层或可降解陶瓷涂层。
5.根据权利要求4所述的合金，其特征在于所述可降解高分子涂层为聚羟基乙酸、聚乳酸、L-聚乳酸、聚己酸内酯、聚氰基丙烯酸酯、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸类聚合物、聚β -羟基丁酸酯和羟基戊酸酯或其共聚物中的一种或一种以上混合物；所述可降解陶瓷涂层为羟基磷灰石、含锶羟基磷灰石、含氟羟基磷灰石、α -磷酸三钙、 β-磷酸三钙和磷酸氧四钙中的一种或一种以上混合物；所述可降解高分子涂层或可降解陶瓷涂层的厚度为O. Of 5mm。
6.权利要求1-5中任一项所述的合金的制备方法,包括如下步骤将所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一种方式进行混合得到混合物1)Mg、Sr 和 Zn ;和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；在CO2和SF6气氛保护下，将所述混合物进行熔炼，即得到所述合金。
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70(T85(TC，所述熔炼的时间为30min 4h。所述Sr以Mg-Sr中间合金的形式进行添加。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述方法还包括将所述合金进行机械加工的步骤；所述机械加工为轧制、锻造、挤压和快速凝固中的一种或一种以上加工方法;所述轧制包括如下步骤将所述合金进行固溶处理，然后依次经粗轧、中轧和精轧；所述锻造的温度为20(T400°C，锻造速率为200mm/s 400mm/s，锻造率为5% 15% ；所述挤压的温度为20(T40(TC，挤压速率为O. f30mm/min，挤压比为1(Γ 00。
9.权利要求1-5中任一项所述的合金的制备方法,包括如下步骤将所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述I) 2)中任一种方式进行混合得到混合物1)Mg、Sr 和 Zn ;和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；将所述混合物进行烧结，然后经冷却即得到合金；所述烧结为下述任一种方法元素粉末混合烧结法、预合金粉烧结法和自蔓延高温合成法。
10.权利要求1-5中任一项所述Mg-Sr-Zn系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-Sr-Zn系合金及其制备方法。所述合金包括Mg、Sr和Zn；以重量百分比计，所述医用植入体中，Sr的含量为0~5%，但不为零，Zn的含量为0~2%，但不为零，余量为Mg。将所述Mg、Sr、Zn和微量元素按照下述1)~2)中任一种方式进行混合得到混合物1)Mg、Sr和Zn；和2)Mg、Sr、Zn和微量元素；在CO2和SF6气氛保护下，将所述混合物进行熔炼，即得到所述合金。本发明的可降解吸收Mg-Sr-Zn系镁合金，选用人体必需金属元素，不含有害或潜在有害元素，其中的合金化元素Sr可促进成骨，抑制骨吸收，从而伴随Mg-Sr-Zn系合金降解促进组织愈合。
文档编号C22C1/03GK102978495SQ20121054004
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, 顾雪楠, 李楠 申请人:北京大学