一种医用生物可降解镁合金支架材料的制备方法

本发明属于医用生物可降解合金材料领域，具体涉及一种医用生物可降解mg合金支架材料的制备方法。

背景技术：

血管支架植入术自20世纪80年代中期应用于临床以来得到飞速发展，目前已成为冠状动脉疾病的主要治疗手段，每年在全世界植入的各类血管支架超过300万个。对于可植入血管支架类型的发展主要经历了三个阶段，裸金属支架、药物洗脱支架、生物可降解支架。体内“临时”植入物的需求不断增长，这就要求植入的生物材料能够随着时间的流逝以可预测的方式消融。严格来说，生物可降解性是指材料随着时间的流逝，通过腐蚀或类似机制缓慢腐蚀溶解的能力；原则上，生物可降解的金属材料具有比聚合物材料更好的性能，如机械强度。生物可降解支架应用中考虑的可生物降解金属包括镁合金，锌合金和铁合金等。

然而铁合金支架是具有磁性的，这会干扰核磁共振成像(mri)，铁合金支架降解得太慢，并且牢固的降解产物(主要是氧化铁)保留在包囊的新内膜中，从而恶化了血管组织的再生，影响支架周围的组织，并最终导致炎症反应和组织损伤，铁合金支架释放出的镍和铬离子会吸收到血管组织中，引起组织中的急性炎症反应，此外，还会发生过敏反应和dna突变。如果任其发展，最终将导致血管血栓形成和再狭窄，或被斑块重新阻塞血管。而使用锌合金制造支架的主要问题是机械强度差，在锻造条件下，锌的极限抗拉强度(uts)分别仅为120mpa，这些值远低于血管支架材料所需的基准值(uts约为250mpa)。

对比锌合金和铁合金，镁合金的优势格外明显，由于镁是人体最重要的微量营养素之一，因此降解产物的副作用不会很大，并且人们已经广泛研究了其在生物系统中的作用。实验数据表明，镁在缺血性血管损伤中具有令人鼓舞的结果，均能减少心肌梗死面积。在动物实验中，镁元素显着减少了急性支架血栓形成。haudem等人在可降解镁合金支架的实验研究中发现，由于侵蚀产生的mg²⁺，显示出抗血栓作用。

但由于镁支架降解时间短，很难保留到动脉血管重建完成。支架被血液侵蚀，三个月后完全降解。镁合金支架过于早的被人体所降解，其支架所提供的对狭窄血管径向支撑力过早的消失，很难保留到血管重建完成。而且镁合金腐蚀后的产物存在h2产生，由于腐蚀速度的加快，必然加速h2的产生，无法及时排除的h2对周围组织无疑是再一次的伤害。

德国biotronick公司对早先镁支架完成结构设计优化，临床试验的研究结果显示：与当时最常用的铁支架相对比，镁合金血管支架在支撑强度等力学性能方面并不比铁支架差，但这个前提是镁合金血管支架需要在四个月内不发生完全降解。因此，降低生物可降解金属支架的被血液侵蚀速率，使径向力在支架内长期维持是非常重要的。

技术实现要素：

本发明针对现有医用生物可降解镁合金材料存在的不足，旨在提供一种新型医用生物可降解镁合金支架材料，该镁合金材料具备较好的力学性能以及适宜的生物降解速率，该合金作为一种综合性能优异的医用生物可降解镁合金材料，具有良好的临床应用前景。

本发明提供一种医用生物可降解镁合金支架材料的制备方法，在真空手套箱中，按比例称取粉体材料镁粉末、锌粉末、镁钇合金粉末，称量好的材料用镁箔包裹后真空保存，将配置好的原料进行球磨混粉，混合粉末进行冷等静压，压坯真空干燥除气后再进行热等静压，得到医用生物可降解镁合金支架材料。

所述粉体材料的粒径为30～50μm，配置好的原料中各元素的质量百分比含量为：zn：2～3％，y：1.5～2.5％，余量为mg。

所述粉体材料还包括镁锆合金粉末，粉体材料的粒径为30～50μm，配置好的原料中zr元素的质量百分比含量为：0.3～0.9％。

所述真空手套箱中的温度为20～25℃，真空度为100～200pa。

所述真空保存的温度为-5～0℃，真空度为100～200pa。

所述球磨的料球为氧化锆料球，转速为200～260rpm，料球中大中小料球的粒径分别为8mm、5mm、3mm，三者的比例为3:4:3，球料比为20～25，球磨罐装料量为50％～58％，球磨时间为4～8h，球磨温度为20～25℃。

所述冷等静压的压制温度为20～30℃，压力为350～450mpa，保压时间为30～50min。

所述真空干燥的温度为100～200℃，时间为1～2h，真空度为100～200pa。

所述热等静压的压制温度为500～600℃，保护气氛为氩气气氛，压力为4～6mpa，保压时间为30～40min。

相比传统加工工艺：镁和添加元素在熔炼炉中进行熔炼，制备出来的生物可降解植入材料往往因为偏析，使合金耐腐蚀性降低，且熔炼浇铸出来的支架材料整体致密度不高，力学性能得不到很好的保证，同时基体出现缺陷极易发生点蚀造成材料力学性能急剧下降；本发明通过全新的粉末冶金法制备医用可降解镁合金支架材料，通过粉末冶金的方式得到的制品，材料的均匀性和力学性能得到了很好的保证，还不容易氧化与引入其他杂质；有效改善了医用支架镁合金材料服役时间，提高支架材料致密度使支架材料拥有更好的耐腐蚀性能。

本发明医用生物可降解的镁合金，全部选用了对人体无害的金属元素来合成，具有较好的力学性能以及适合的生物降解速率，可满足不同环境的需求，可被应用在心血管支架、支气管支架和胆道支架等植入材料。

附图说明

图1为实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金的显微组织图；

图2为实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金的宏观照片；

图3为实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金的学拉伸曲线图；

图4为实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金电化学腐蚀测试图；

图5为实施例1-4所得镁合金与纯镁析氢实验测试图；

图6为实施例3所得镁合金mg-2.5zn-2y-0.6zr经7天浸泡后sem形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施例本发明作进一步的详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。实施例中使用的原材料均可以市场购买得到。

实施例1

一种医用生物可降解mg-2.5zn-1.5y镁合金支架材料的方法，包括如下步骤：

(1)配料：按照材料组分称取镁粉末、锌粉末、镁钇合金粉末，各粉体材料的粒径均为30μm，称量操作在真空手套箱中完成，真空手套箱中的温度为20℃，真空度为150pa，将配置好的原料用纯度为99.99％的镁箔包裹后保存在真空干燥箱内真空保存，镁箔的重量包含在镁的总重量中，真空干燥箱内的温度为-3℃，真空度150pa，其中配置好的原料中各组成的质量百分比含量为：zn：2.50％，y：1.50％，余量为mg；

(2)球磨混粉：将步骤(1)称量好的原料放入xpwk行星智能球磨机中，球磨转速为240rpm，料球中大中小料球的粒径分别为8mm、5mm、3mm，料球大中小的比例为3:4:3，球料比为20，球磨罐装料量为50％，球磨时间为4h，球磨机内温度控制在20℃；

(3)冷等静压(cip)：将步骤(2)球磨好的混合粉末材料放入avurehpp冷等静压试验机的超高压容器中进行冷等静压，样品尺寸为压制温度为25℃，压力为400mpa，保压时间为40min，将材料坯体的预压密度压制为最后所得材料密度的75％～80％，该密度范围下有利于真空干燥除气阶段气体的溢出；

(4)真空干燥除气处理：将步骤(3)压制好的坯料样品放入真空干燥箱进行真空干燥除气，温度设置为150℃，真空干燥除气1.5h，真空度为150pa，以除去坯料中的水蒸气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，从而避免坯料中出现气泡和裂纹；

(5)热等静压(hip)：将步骤(4)的样品放入热等静压超高压容器中进行热等静压，根据设置好的参数进行压制，压制温度为550℃，保护气氛为氩气气氛，压力为4mpa，保温保压40min，得到医用可降解mg-2.5zn-1.5y镁合金支架材料。

力学性能指标：试样价格和拉伸均根据gb/t228.1-2018进行，拉伸试验在ag-xplus50kn万能实验机上进行，拉伸速率为0.72mm·min^-1；测试结果：屈服强度为148.2mpa，抗拉强度为188.3mpa，伸长率为12.6％

浸泡腐蚀测试：测试根据astmg31-72进行，将试样浸泡于hank’s液中，溶液体积与试样表面积比设定为30ml/cm²，每12h记录一次数值，每隔24h更换一次hank’s液；测试结果：浸泡产生h2的速率为2.40ml/(cm²day)。

实施例2

一种医用生物可降解mg-2zn-2.5y-0.3zr镁合金支架材料的方法，包括如下步骤：

(1)配料：按照材料组分称取镁粉末、锌粉末、镁钇合金粉末、镁锆合金粉末，各粉体材料的粒径均为40μm，称量操作在真空手套箱中完成，真空手套箱中的温度为22℃，真空度为150pa，将配置好的原料用纯度为99.99％的镁箔包裹后保存在真空干燥箱内真空保存，镁箔的重量包含在镁的总重量中，真空干燥箱内的温度为-3℃，真空度150pa，其中配置好的原料中各组成的质量百分比含量为：zn：2％，y：2.5％，zr：0.3％，余量为mg；

(2)球磨混粉：将步骤(1)称量好的原料放入xpwk行星智能球磨机中，球磨转速为240rpm，料球中大中小料球的粒径分别为8mm、5mm、3mm，料球大中小的比例为3:4:3，球料比为23，球磨罐装料量为54％，球磨时间为6h，球磨机内温度控制在23℃；

(3)冷等静压(cip)：将步骤(2)球磨好的混合粉末材料放入avurehpp冷等静压试验机的超高压容器中进行冷等静压，样品尺寸为压制温度为20℃，压力为400mpa，保压时间为50min，将材料坯体的预压密度压制为最后所得材料密度的75％～80％，该密度范围下有利于真空干燥除气阶段气体的溢出；

(4)真空干燥除气处理：将步骤(3)压制好的坯料样品放入真空干燥箱进行真空干燥除气，温度设置为150℃，真空干燥除气1.5h，真空度为200pa，以除去坯料中的水蒸气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，从而避免坯料中出现气泡和裂纹；

(5)热等静压(hip)：将步骤(4)的样品放入热等静压超高压容器中进行热等静压，根据设置好的参数进行压制，压制温度为550℃，保护气氛为氩气气氛，压力为5mpa，保温保压45min，得到医用可降解mg-2zn-2.5y-0.3zr镁合金支架材料。

力学性能指标：试样价格和拉伸均根据gb/t228.1-2018进行，拉伸试验在ag-xplus50kn万能实验机上进行，拉伸速率为0.72mm·min^-1；测试结果：屈服强度为178.7mpa，抗拉强度为208.4mpa，伸长率为9.5％

浸泡腐蚀测试：测试根据astmg31-72进行，将试样浸泡于hank’s液中，溶液体积与试样表面积比设定为30ml/cm²，每12h记录一次数值，每隔24h更换一次hank’s液；测试结果：浸泡产生h2的速率为2.30ml/(cm²day)。

实施例3

一种医用生物可降解mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金支架材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料：按照材料组分称取镁粉末、锌粉末、镁钇合金粉末、镁锆合金粉末，各粉体材料的粒径均为50μm，称量操作在真空手套箱中完成，真空手套箱中的温度为25℃，真空度为100pa，将配置好的原料用纯度为99.99％的镁箔包裹后保存在真空干燥箱内真空保存，镁箔的重量包含在镁的总重量中，真空干燥箱内的温度为-5℃，真空度100pa，其中配置好的原料中各组成的质量百分比含量为：zn：2.5％，y：2％，zr：0.6％，余量为mg；

(2)球磨混粉：将步骤(1)称量好的原料放入xpwk行星智能球磨机中，球磨转速为250rpm，料球中大中小料球的粒径分别为8mm、5mm、3mm，料球大中小的比例为3:4:3，球料比为23，球磨罐装料量为56％，球磨时间为8h，球磨机内温度控制在23℃；

(3)冷等静压(cip)：将步骤(2)球磨好的混合粉末材料放入avurehpp冷等静压试验机的超高压容器中进行冷等静压，样品尺寸为压制温度为30℃，压力为450mpa，保压时间为30min，将材料坯体的预压密度压制为最后所得材料密度的75％～80％，该密度范围下有利于真空干燥除气阶段气体的溢出；

(4)真空干燥除气处理：将步骤(3)压制好的坯料样品放入真空干燥箱进行真空干燥除气，温度设置为100℃，真空干燥除气2h，真空度为200pa，以除去坯料中的水蒸气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，从而避免坯料中出现气泡和裂纹；

(5)热等静压(hip)：将步骤(4)的样品放入热等静压超高压容器中进行热等静压，根据设置好的参数进行压制，压制温度为500℃，保护气氛为氩气气氛，压力为6mpa，保温保压50min，得到医用可降解mg-2.5zn-2y-0.6zr镁合金支架材料。

力学性能指标：试样价格和拉伸均根据gb/t228.1-2018进行，拉伸试验在ag-xplus50kn万能实验机上进行，拉伸速率为0.72mm·min^-1；测试结果：屈服强度为110.5mpa，抗拉强度为243.3mpa，伸长率为13.1％

浸泡腐蚀测试：测试根据astmg31-72进行，将试样浸泡于hank’s液中，溶液体积与试样表面积比设定为30ml/cm²，每12h记录一次数值，每隔24h更换一次hank’s液；测试结果：浸泡产生h2的速率为1.95ml/(cm²day)。

实施例4

一种医用生物可降解mg-3zn-1.5y-0.9zr镁合金支架材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)配料：按照材料组分称取镁粉末、锌粉末、镁钇合金粉末、镁锆合金粉末，各粉体材料的粒径均为50μm，称量操作在真空手套箱中完成，真空手套箱中的温度为20℃，真空度为200pa，将配置好的原料用纯度为99.99％的镁箔包裹后保存在真空干燥箱内真空保存，镁箔的重量包含在镁的总重量中，真空干燥箱内的温度为0℃，真空度200pa，其中配置好的原料中各组成的质量百分比含量为：zn：3％，y：1.50％，zr：0.9％，余量为mg；

(2)球磨混粉：将步骤(1)称量好的原料放入xpwk行星智能球磨机中，球磨转速为260rpm，料球中大中小料球的粒径分别为8mm、5mm、3mm，料球大中小的比例为3:4:3，球料比为25，球磨罐装料量为58％，球磨时间为8h，球磨机内温度控制在25℃；

(3)冷等静压(cip)：将步骤(2)球磨好的混合粉末材料放入avurehpp冷等静压试验机的超高压容器中进行冷等静压，样品尺寸为压制温度为25℃，压力为350mpa，保压时间为40min，将材料坯体的预压密度压制为最后所得材料密度的75％～80％，该密度范围下有利于真空干燥除气阶段气体的溢出；

(4)真空干燥除气处理：将步骤(3)压制好的坯料样品放入真空干燥箱进行真空干燥除气，温度设置为200℃，真空干燥除气1h，真空度为100pa，以除去坯料中的水蒸气、氢气、一氧化碳、二氧化碳等气体，从而避免坯料中出现气泡和裂纹；

(5)热等静压(hip)：将步骤(4)的样品放入热等静压超高压容器中进行热等静压，根据设置好的参数进行压制，压制温度为600℃，保护气氛为氩气气氛，压力为6mpa，保温保压30min，得到医用可降解mg-3zn-1.5y-0.9zr镁合金支架材料。

力学性能指标：试样价格和拉伸均根据gb/t228.1-2018进行，拉伸试验在ag-xplus50kn万能实验机上进行，拉伸速率为0.72mm·min^-1；测试结果：屈服强度为101.2mpa，抗拉强度为215mpa，伸长率为11％。

浸泡腐蚀测试：测试根据astmg31-72进行，将试样浸泡于hank’s液中，溶液体积与试样表面积比设定为30ml/cm²，每12h记录一次数值，每隔24h更换一次hank’s液；测试结果：浸泡产生h2的速率为2.25ml/(cm²day)。

图1是实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr合金的显微组织，从图中可以看出合金中晶粒边界清晰可见，在晶粒内部和晶界处没有观察到析出相，添加zn、y、zr元素后铸态合金组织较纯镁组织细化。

图2是实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr合金的形态图，轧件边裂情况减少。

图3是实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr合金的力学拉伸曲线图，将zr含量增加至0.6wt％后合金的抗拉强度增加至243.3mpa，这是由于添加zr晶粒细化，力学性能增加。

图4是实施例3所得mg-2.5zn-2y-0.6zr合金的腐蚀性能测试结果，从图中可以看出，合金的腐蚀电位是-1.637v，腐蚀电流密度为7.653×10^-6a·cm^-2，其耐腐蚀性能远远优于纯镁。

图5为实施例1-4所得镁合金与纯镁析氢实验测试结果，从图中可以看出，在浸泡168h后，mg-2.5zn-2y-0.6zr合金产生h2量最少，腐蚀速率最低。

图6为实施例3所得镁合金mg-2.5zn-2y-0.6zr经7天浸泡后sem形貌图，从图中可以看出，虽然降解了一些，产生了一些空隙，但是整体形貌还在。

本发明在纯镁中加入zn、y、zr合金元素，大大提高了镁合金的性能，经冷等静压与热等静压处理提高了镁合金的耐腐蚀性能与力学性能，使其满足医用支架材料的要求，同时该支架材料还具有合适的降解速率等优点。