本发明涉及医用生物镁合金材料技术领域，尤其涉及一种表面抑菌的可均匀降解医用mg-nd-sr-zr生物镁合金及其制备方法。
背景技术：
生物镁合金材料具有低密度、良好的力学性能(杨氏模量为40～45gpa)、良好的生物相容性、生物可降解、无生物毒性等特点，但目前生物镁合金材料中多采用含mn、等元素，这些元素如果是采用普通的凝固的方式制备容易产生裂纹、疏松等缺陷。元素合金化是目前常用的镁合金强化方法之一，即添加合金元素，使镁的力学性能和耐腐蚀性得以提高，当植入材料在人体内进行工作时，合金元素固然会随之进入人体内，因此合金元素必须对人体无毒副作用，即具有良好的生物相容性。常用的可添加元素有ca、sr、zn、zr等和一些稀土元素。其中，钙是人体必不可少的元素之一，它是组成骨骼的主要元素。加入少量的钙可以改善镁合金的铸造及机械性能。锶能够维护骨骼健康，增强骨强度和骨密度。锌元素有助于青少年骨骼发育和组织再生，并能促进伤口愈合，提高人体机能的免疫力。
近年来，常采用真空高频熔炼作为制备稀土生物镁合金医用材料的工艺，可根据模拟人体体液复杂的腐蚀环境对生物材料的性能要求，控制稀土元素nd的含量，控制冷却过程及后期热处理工艺，其特点是制备温度不高，界面反应可控，这种以控制中间合金的添加来控制元素含量的工艺，不仅增加了所获得镁合金的组织均匀性，可增加了生物材料的生物相容性从而达到均匀腐蚀的目的。目前，(surfacemodificationofmagnesiumalloyviacathodicplasmaelectrolysisanditsinfluenceoncorrosionresistanceandcytocompatibility,congjunliu,etal.materialsletters,2014(132):15-18)，如利用等离子体在镁合金表面进行修饰，使其表面组织致密、均匀，但是成本较高，也不易于操作。同时，(surfacecharacterizationandcytotoxicityresponseofbiodegradablemagnesiumalloys,materialsscienceandengineeringc2015(49):761–768)，如在az系列合金其力学性能尚可，但其材料表面细胞毒性较高，可能导致组织发生炎症。因此，在医用金属材料领域，制备具有抑菌性能的可均匀降解的生物镁合金是一项新颖的技术。在金属材料制备过程中，通常在采用挤压铸造、真空高频熔炼等技术手段金属材料时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷，可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高生物镁合金材料的综合性能。
技术实现要素：
为了克服镁合金降解速率不均匀和表面细胞毒性大的问题，本发明提供了一种可均匀降解医用mg-nd-sr-zr生物镁合金及其制备方法，本发明以高纯度的镁、锌及镁中间合金，制备mg-nd-sr-zr生物镁合金。利用真空高频感应熔炼法制备mg-nd-sr-zr生物镁合其具体方法就是将镁中间合金与金属镁、锌混合后在室温静压成形，然后在高温下热处理生成由可均匀降解医用mg-nd-sr-zr生物镁合金材料。
本发明采取的技术方案是：
本发明的表面抑菌的可均匀降解医用mg-nd-sr-zr生物镁合金是由以下重量百分比组成为：nd2.0～4.0％、sr0.1～1.2％、zr0.20～0.40％，其余为mg以及由原材料带入的不可避免的杂质组成，不可避免杂质的含量之和≤0.004％，该不可避免杂质中fe≤0.0003％、ni≤0.0003％、cu≤0.001％。
优选，本发明的mg-nd-sr-zr生物镁合金是由以下重量百分比组成为：nd3.0％、sr1.0％、zr0.30％，其余为mg以及由原材料带入的不可避免的杂质组成。
所述的镁合金生物镁合金表面有抑菌涂层，涂层内含有的ag颗粒，粒径为10～50nm。
本发明的生物镁合金的制备方法是以高纯镁锭、mg-nd中间合金、mg-sr中间合金、mg-zr中间合金为原料，采用高频感应加热炉熔铸，铸造耗损率≤2.0％，高纯镁锭纯度≥99.99％；其中，mg-nd中间合金为mg-25wt％nd中间合金，mg-sr中间合金为mg-20wt％sr中间合金，mg-zr中间合金为mg-30wt％zr中间合金。
该方法采用高纯度的原材料和高洁净度熔炼技术来制造，材料纯净度要求如下：原材料mg的纯净度大于等于99.999％；原料zn的纯净度大于等于99.999％；原料mg-sr中间合金的纯净度大于等于99.99％；原料mg-zr中间合金金的纯净度大于等于99.99％。
所述高洁净度熔炼技术是采用惰性气体氩气保护，采用密封高强石英管熔炼，熔炼温度约860℃～900℃，在模具中浇注铸锭；所述铸锭需经高频率熔炼均匀化处理，均匀化处理温度为400℃～550℃时，时间3min～9min。保温后水冷处理；所述均匀化处理后的铸锭经过热形变加工后制成所需棒材或块材。
本发明的生物镁合金可以用于抑制大肠杆菌和金色葡萄球菌，抑菌圈大小为12mm～15mm。
其具体方法就是将镁中间合金与金属镁混合后在室温静压成形，然后在高温下热处理生成由含稀土增强相的生物镁合金材料，并通过溶液沉淀法在表面均匀附上含纳米ag的涂层，得到表面抑菌的可均匀降解医用mg-nd-sr-zr生物镁合金。本发明的制备方法制备的生物镁合金具有质量轻、力学性能好、易于加工的优点，采用真空高频感应熔炼的方法，具有绿色、经济、工艺简单、操作方便、安全环保的特点，本发明通过银凝胶表面处理后，可以使合金表面生成抑菌层，提高合金的生物相容性好，是一种可均匀降解的生物材料制备方法。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.该制备方法采用镁中间合金，绿色、经济、环保。
2.该制备方法原料廉价易得，采用高频感应加热，操作安全简便，节能环保。
3.该制备方法所得的生物镁合金晶粒尺寸分布均匀，均匀腐蚀性能好，表面具有很好的抗菌性能。
附图说明
图1是本发明制备的一种mg-nd-sr-zr生物镁合金的sem电镜照片。
图2是图1所示mg-nd-sr-zr生物镁合金的腐蚀循环曲线图。
图3是mg-nd-sr-zr生物镁合金表面抑菌涂层内含有的ag纳米颗粒的tem电镜照片。
图4是不同sr含量zn-mg-sr-zr生物镁合金对大肠杆菌的抑菌环图。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步详细描述。
实施例1
1)采用高频感应熔炼法制备mg-nd-sr-zr生物镁合金，铸造耗损率≤2％，本可降解镁合金由以下重量百分比的物质组成：nd2.0～3.0％、sr0.1～1.1％、zr0.2～0.4％，其余为mg和不可避免的杂质元素。
(1)将按比例称量的高纯度mg-nd中间合金、mg-sr中间合金、mg-zr中间合金、高纯镁锭依次放入石英管中，然后加入镁覆盖剂，并用石英棒将镁覆盖剂压实。镁合金覆盖剂预先在100℃并干燥240min，覆盖剂中mgcl2＝38～46％，kcl＝32～40％，caf2＝3～5％，bacl2＝5.5～8.5％，nacl+cacl2<8％，不融物<1.5％，mgo<1.5％，含水<3％。
(2)将石英管放入高频感应线圈中加热，石英管管壁与感应圈非接触绝对距离为5～6mm，加热频率范围30～100khz，预热电流为50～60a，预加热时间为40～50s，调节冷却水压为0.2～0.4mpa，用红外测温仪测得预热表面温度为160～170℃。
(3)调节加热电流为380～400a，熔炼温度为880～890℃，待金属原料块样全部溶解为液态；调节电流为320～330a，加热时间为9～10min，在模具中浇注铸锭；所述铸锭需经均匀化处理，均匀化处理温度为200℃～250℃，保温时间0.5～1小时，保温后水冷处理；所述均匀化处理后的铸锭经过热形变加工后制成所需棒材或块材。所制得镁合金硬度为35～40hv(载荷300g)，密度为1.65g/cm3。
2)采用模拟人体液浸泡法测试mg-nd-sr-zr生物镁合金的可降解性。
(1)将熔铸的试样切成标准规则10×10×5mm3的长方体样，经六个面打磨、抛光后，得到浸泡前试样。
(2)将切好的试样放入模拟体液sbf中浸泡14天，每24小时更换一次sbf溶液，用排水法收集氢气并用电子天平测量样品浸泡后的失重量，每更换一次溶液测量一次。
(3)根据不同环境的要求，调节溶液ph值7.5～7.6，所用sbf溶液需满足体外腐蚀实验的条件，sbf浸泡时腐蚀电流7.6～10.4μa/cm2，且每升液体组成为8gnacl,0.14gcacl2,0.4gkcl,0.35gnahco3,1.0gc6h6o6,0.1gmgcl2·6h2o,0.06gmgso4·7h2o,0.06gkh2po4,0.06gna2hpo4·12h2o。
(4)测得生物镁合金试样降解过程中析氢腐蚀速率rh＝1.2mlcm-2day-1；失重腐蚀速率rw＝2.3mgcm-2day-1。
3)采用抑菌圈法测试银凝胶表面处理后mg-nd-sr-zr生物镁合金的抗菌性能。
(1)将合金试样切成10×10×1mm3的长方体薄片，对其表面进行打磨抛光并进行纳米银凝胶表面处理，凝胶中纳米银颗粒直径10～30nm。
(2)将培养皿在121℃、102kpa下进行高压蒸汽灭菌，取出保温的液体琼脂培养基倒入培养皿内冷却30min待其凝固，琼脂培养基的厚度约为3mm；菌种采用大肠杆菌，使用微量移液器取100ul细菌培养液缓慢滴加到琼脂板上，用无菌涂布器涂抹均匀，上述细菌培养液的菌浓度为10-5g/ml，大肠杆菌总计数为1.38×106～1.67×106。
(3)将切好的试样进行乙醇清洗并使用紫外线杀菌30min，用无菌镊子将其正面朝下置于接种过细菌的琼脂板上，贴放好后，用无菌镊子轻压样片，使其紧贴于平板表面，盖好平皿，密封培养基；上述操作皆在标准无菌试验台中完成。
(4)将所获得的试样放入37℃恒温培养箱中培养24h，取出后用数码照相机拍照，测得抑菌圈直径大小为12mm～13mm。
实施例2
1)采用高频感应熔炼法制备mg-nd-sr-zr生物镁合金，铸造耗损率≤2％，本可降解镁合金由以下重量百分比的物质组成：nd2.5～3.0％、sr0.4～0.8％、zr0.3～0.4％，其余为mg和不可避免的杂质元素。
(1)将按比例称量的高纯度mg-nd中间合金、mg-sr中间合金、mg-zr中间合金、高纯镁锭依次放入石英管中，然后加入镁覆盖剂，并用石英棒将镁覆盖剂压实。镁合金覆盖剂预先在100℃并干燥240min，覆盖剂中mgcl2＝38～46％，kcl＝32～40％，caf2＝3～5％，bacl2＝5.5～8.5％，nacl+cacl2<8％，不融物<1.5％，mgo<1.5％，含水<3％。
(2)将石英管放入高频感应线圈中加热，石英管管壁与感应圈非接触绝对距离为6～7mm，加热频率范围30～100khz，预热电流为50～60a，预加热时间为50～60s，调节冷却水压为0.5～0.7mpa，用红外测温仪测得预热表面温度为180～200℃。
(3)调节加热电流为360～380a，熔炼温度为860～870℃，待金属原料块样全部溶解为液态；调节电流为300～310a，加热时间为10～11min，在模具中浇注铸锭；所述铸锭需经均匀化处理，均匀化处理温度为240℃～300℃，保温时间1.5～2小时，保温后水冷处理；所述均匀化处理后的铸锭经过热形变加工后制成所需棒材或块材。所制得镁合金硬度为45～55hv(载荷300g)，密度为1.78g/cm3。
2)采用模拟人体液浸泡法测试mg-nd-sr-zr生物镁合金的可降解性。
(1)将熔铸的试样切成标准规则10×10×5mm3的长方体样，经六个面打磨、抛光后，得到浸泡前试样。
(2)将切好的试样放入模拟体液sbf中浸泡14天，每24小时更换一次sbf溶液，用排水法收集氢气并用电子天平测量样品浸泡后的失重量，每更换一次溶液测量一次。
(3)根据不同环境的要求，调节溶液ph值7.8～7.9，所用sbf溶液需满足体外腐蚀实验的条件，sbf浸泡时腐蚀电流9.8～12.9μa/cm2，且每升液体组成为8gnacl,0.14gcacl2,0.4gkcl,0.35gnahco3,1.0gc6h6o6,0.1gmgcl2·6h2o,0.06gmgso4·7h2o,0.06gkh2po4,0.06gna2hpo4·12h2o。
(4)测得生物镁合金试样降解过程中析氢腐蚀速率rh＝1.8mlcm-2day-1；失重腐蚀速率rw＝1.6mgcm-2day-1。
3)采用抑菌圈法测试银凝胶表面处理后mg-nd-sr-zr生物镁合金的抗菌性能。
(1)将合金试样切成10×10×1mm3的长方体薄片，对其表面进行打磨抛光并进行纳米银凝胶表面处理，凝胶中纳米银颗粒直径20～50nm。
(2)将培养皿在121℃、102kpa下进行高压蒸汽灭菌，取出保温的液体琼脂培养基倒入培养皿内冷却30min待其凝固，琼脂培养基的厚度约为3mm；菌种采用大肠杆菌，使用微量移液器取100ul细菌培养液缓慢滴加到琼脂板上，用无菌涂布器涂抹均匀，上述细菌培养液的菌浓度为10-5g/ml，大肠杆菌总计数为1.16×106～1.98×106。
(3)将切好的试样进行乙醇清洗并使用紫外线杀菌30min，用无菌镊子将其正面朝下置于接种过细菌的琼脂板上，贴放好后，用无菌镊子轻压样片，使其紧贴于平板表面，盖好平皿，密封培养基；上述操作皆在标准无菌试验台中完成。
(4)将所获得的试样放入37℃恒温培养箱中培养24h，取出后用数码照相机拍照，测得抑菌圈直径大小为14mm～15mm。
实施例3
1)采用高频感应熔炼法制备mg-nd-sr-zr生物镁合金，铸造耗损率≤2％，本可降解镁合金由以下重量百分比的物质组成：nd3.5～4.0％、sr0.6～1.1％、zr0.2～0.3％，其余为mg和不可避免的杂质元素。
(1)将按比例称量的高纯度mg-nd中间合金、mg-sr中间合金、mg-zr中间合金、高纯镁锭依次放入石英管中，然后加入镁覆盖剂，并用石英棒将镁覆盖剂压实。镁合金覆盖剂预先在100℃并干燥240min，覆盖剂中mgcl2＝38～46％，kcl＝32～40％，caf2＝3～5％，bacl2＝5.5～8.5％，nacl+cacl2<8％，不融物<1.5％，mgo<1.5％，含水<3％。
(2)将石英管放入高频感应线圈中加热，石英管管壁与感应圈非接触绝对距离为8～9mm，加热频率范围30～100khz，预热电流为50～60a，预加热时间为60～70s，调节冷却水压为0.7～0.9mpa，用红外测温仪测得预热表面温度为170～190℃。
(3)调节加热电流为420～440a，熔炼温度为880～900℃，待金属原料块样全部溶解为液态；调节电流为330～350a，加热时间为8～10min，在模具中浇注铸锭；所述铸锭需经均匀化处理，均匀化处理温度为270℃～320℃，保温时间0.5～1.5小时，保温后水冷处理；所述均匀化处理后的铸锭经过热形变加工后制成所需棒材或块材。所制得镁合金硬度为40～45hv(载荷300g)，密度为1.82g/cm3。
2)采用模拟人体液浸泡法测试mg-nd-sr-zr生物镁合金的可降解性。
(1)将熔铸的试样切成标准规则10×10×5mm3的长方体样，经六个面打磨、抛光后，得到浸泡前试样。
(2)将切好的试样放入模拟体液sbf中浸泡14天，每24小时更换一次sbf溶液，用排水法收集氢气并用电子天平测量样品浸泡后的失重量，每更换一次溶液测量一次。
(3)根据不同环境的要求，调节溶液ph值7.7～7.8，所用sbf溶液需满足体外腐蚀实验的条件，sbf浸泡时腐蚀电流11.8～14.7μa/cm2，且每升液体组成为8gnacl,0.14gcacl2,0.4gkcl,0.35gnahco3,1.0gc6h6o6,0.1gmgcl2·6h2o,0.06gmgso4·7h2o,0.06gkh2po4,0.06gna2hpo4·12h2o。
(4)测得生物镁合金试样降解过程中析氢腐蚀速率rh＝2.1mlcm-2day-1；失重腐蚀速率rw＝1.8mgcm-2day-1。
3)采用抑菌圈法测试银凝胶表面处理后mg-nd-sr-zr生物镁合金的抗菌性能。
(1)将合金试样切成10×10×1mm3的长方体薄片，对其表面进行打磨抛光并进行纳米银凝胶表面处理，凝胶中纳米银颗粒直径30～50nm。
(2)将培养皿在121℃、102kpa下进行高压蒸汽灭菌，取出保温的液体琼脂培养基倒入培养皿内冷却30min待其凝固，琼脂培养基的厚度约为3mm；菌种采用金色葡萄球菌，使用微量移液器取100ul细菌培养液缓慢滴加到琼脂板上，用无菌涂布器涂抹均匀，上述细菌培养液的菌浓度为10-5g/ml，金色葡萄球菌总计数为1.86×106～2.35×106。
(3)将切好的试样进行乙醇清洗并使用紫外线杀菌30min，用无菌镊子将其正面朝下置于接种过细菌的琼脂板上，贴放好后，用无菌镊子轻压样片，使其紧贴于平板表面，盖好平皿，密封培养基；上述操作皆在标准无菌试验台中完成。
(4)将所获得的试样放入37℃恒温培养箱中培养24h，取出后用数码照相机拍照，测得抑菌圈直径大小为13mm～14mm。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。