[发明专利]一种医用含稀土元素镁合金材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种医用含稀土元素镁合金材料及其制备方法。其中镁合金材料的特征在于：是由以下质量百分百的组分组成：2.1‑40％Zn，0.5‑8％Ca，0.1‑2％X，余量为镁和微量制备过程中引进的杂质元素,其中，X是Y、Sr、Sc中的一种或多种。本发明所述的医用含稀土元素镁合金材料与现有技术相比的优点在于：(1)具有优越的耐腐蚀性能，其耐腐蚀性甚至为一些现有镁合金的4倍，可以在骨科生长恢复周期提供有效的应力支持而不发生破坏性的腐蚀降解；(2)具有优越的力学性能，尤其是压缩强度可达到800MPa，基本与钛合金压缩强度接近；(3)具有良好的生物相容性以及骨诱导性，能够使骨折生长恢复周期缩短。

技术领域

本发明一般地涉及医用金属材料领域，并且更特别地，涉及一种医用含稀土元素镁合金材料及其制备方法。

背景技术

镁合金在作为生物医学材料，尤其是在骨科内植物、固定物等的应用上，具有许多优于其他现有生物医用材料如钛合金、Co-Cr合金、不锈钢、合成羟基磷灰石等的性能：镁合金的密度(1.74-2.0g/cm³)与人体骨骼密度(1.8-2.1g/cm³)及其相近；镁合金的弹性模量相对较低(41-45GPa)，不易造成医用钛合金(110-117GPa)骨科内植物的应力遮挡问题；镁合金不易造成人体的排异反应，因为镁离子是人体中含量第二大的阳离子，参与人体多种生理功能如参与体内蛋白质合成、肌肉收缩、体温调节的运行。但是由于镁的化学性质十分活泼，并且无法生成致密的氧化膜，一般的镁合金会在含有氯离子的人体生理环境中的快速降解并产生大量气体，导致其不但无法在骨头生长完成之前提供有效的应力支持还会由于短时内的大量产气和阳离子示范对人体产生伤害，因此镁合金一度被认为不适合用于医学植入物。

对于骨科材料来说，轻微骨折的从骨折端形成骨痂并持续生长至新骨形成后硬化，愈合期至少为3-4个月，断骨则需要更加长的时间愈合。因此，可降解镁合金作为骨科材料需要至少在3个月内维持其力学性能，即骨科材料用的镁合金在植入体内后需要在3个月内保持没有明显腐蚀的状态或者其腐蚀不会影响镁合金的力学特性。另外，将镁合金运用至医用内植物领域不仅需要改善镁合金的耐腐蚀能力，还需要考虑镁合金中其他金属成分的生物相容性和镁合金的力学性能。

近年来，随着对镁合金腐蚀机理研究的不断深入，本领域技术人员通过添加合金金属种类，使镁合金的耐腐蚀能力逐渐增强。但由于目前商用耐腐蚀力强的镁合金大都含有铝和稀土元素，而微量的铝即可对人体神经产生破坏性的影响，大多稀土元素则容易在脑中富集对脑细胞造成不可逆的损伤，相关领域的科研和技术人员需要通过其他方式获得生物相容性更加好的镁合金材料。

美国发明US20080031765披露了一种适于医用的镁合金，其主要含有镁，少量的锌、钇钙及另外可能含有少量的锰、银、铈、锆和硅元素。该发明通过调整镁、锌、钇和钙之间的重量比使连铸出的合金具有近似单相、晶粒细密和存在多种金属中间相的微结构。发明声称这样的结构不但使这种镁合金具有良好的塑性，金属中间相的存在还能使该镁合金的耐腐蚀能力增强。然而，在实际的应用中发现这种材料因为金属中间相的出现而存在电偶腐蚀和粒状腐蚀的情况，其实际的耐腐蚀性能远远达不到骨科材料的要求。

Gu和郑玉峰分别研究了Mg₆₆Zn₃₀Ca₄大块非晶合金和Ca₆₅Mg₁₅Zn₂₀大块非晶合金作为可降解生物材料的可能性，他们的研究分别证明了上述两种材料对生物体没有明显的不良反应，具有良好的生物相容性及力学强度。然而，这两种材料虽然具有一定的耐腐蚀性，但这两个材料在肌肉/骨骼周围环境下的降解速率仍然过快，导致这两种材料无法应用于骨科内植物、固定物等领域。肖同娜通过对Mg₆₆Zn₃₀Ca₄大块非晶合金添加适量的钇元素改善了Mg₆₆Zn₃₀Ca₄大块非晶合金的耐腐蚀性能，但其耐腐蚀性能相对于骨科材料来说仍不理想。