[发明专利]一种低弹性模量新型医用锆合金及其设计方法

说明书

本发明公开了一种低弹性模量新型医用锆合金及其设计方法。本发明原料的原子百分比为：锡0.1at.％‑3at.％，铜3at.％‑5at.％，铌0.1at.％‑15at.％，锆为余量。其设计方法是利用二次回归正交旋转组合设计进行成分设计，得到实验方案；然后将方案中的合金元素的各原子百分比换算成重量百分比，得到称重配比方案；按照组合设计所得的称重配比方案进行合金制备、压缩实验、进一步的物相分析和显微组织观察试验；然后利用SPSS对实验结果进行分析，最终得到合金性能与合金元素的数学模型。根据数学模型设计出来的锆合金具有低的弹性模量、适中的压缩强度和屈服强度，高的弹性能，符合临床医学对植入材料的要求。

技术领域

本发明属于医用生物材料领域，具体涉及低弹性模量医用锆合金的成分设计及其制备方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高和科学技术的发展，生物材料发展迅速，对人体硬组织替代材料的研究也越来越深入。这些医用植入材料要得到应用，必须得满足一些基本的性能条件，比如良好的生物相容性、在体液中的耐腐蚀性、高的机械强度、良好的耐磨性和低的弹性模量等。其中，低的弹性模量至关重要，它不仅关系着医用植入材料的寿命和服役情况，还影响人的身体健康。目前大多数的生物金属材料，如钛及钛合金(55-120GPa)具有比人骨(10-30GPa)更高的弹性模量。而错配模量会导致骨的应力遮挡，机械应力不能均匀传递给周围的骨骼，导致种植体植入后的骨吸收和松动，降低愈合速率，并给使用者带来疼痛。因此，开发具有低弹性模量的生物材料是非常重要的。

近年来，作为钛的同族元素，锆的耐腐蚀性、生物相容性以及优异的力学性能都被科研人员所看好，锆在生物医用材料领域的研究逐渐变多。但是与钛相比，锆在生物医用领域的报道还是相对偏少，并主要集中在生物医学应用的金属玻璃(BMG)的开发上。目前已开发出的Zr基BMG的弹性模量(80-119GPa)依旧比骨的弹性模量(10-30GPa)大的多，且其具有不令人满意的机械性能，不适合临床应用，因此医用植入材料优先选择生物金属材料。

对于大多数合金，目前使用较普遍的成分设计方法主要有以下几种：传统的试错法(Trial and error)、Mo当量法、d-电子理论合金设计法、热力学平衡成分设计法等。但是它们大都存在着操作复杂、工作量和实验误差大、没有考虑元素间的交互作用等缺点。二次回归正交旋转设计是一种具有正交性、回归性、均匀性以及较好的饱和程度的一种试验设计方法。它能使试验设计变得合理化、简单化，极大地减少试验的次数却完整的保留了信息的大量化等优点，并得出有效的数学回归模型。它可进行影响因素的重要性分析及新条件试验的结果估算，预报和最优化，目前在农林、机械等科研领域已经得到了广泛的应用。此外，与其他合金成分设计方法相比，二次回归正交旋转设计可以得到合金性能关于合金元素的回归方程，能更加直观地体现合金元素对体系合金性能的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种低弹性模量新型医用锆合金及其设计方法，其能提供一种新的生物材料的成分设计的思路，可以直接得到合金性能随掺杂元素含量多少的变化，所设计出来的医用锆合金在保证生物相容性的同时还具有与人骨相适配的弹性模量，通过所建立的数学模型可以进一步得到符合使用要求的医用锆合金的最佳成分配比。

本发明的技术方案如下：

一种低弹性模量新型医用锆合金，主要由锡、铜、铌和锆组成，各组成元素按原子百分比计算，锡为0.1at.％-3at.％，铜为3at.％-5at.％，铌为0.1at.％-15at.％，锆为余量。

作为技术方案的进一步改进，所述医用锆合金各组成元素按原子百分比计算，其最优配比锡为1.5at.％，铜为4at.％，铌为15at.％，锆为79.5at.％。在该配比下的锆合金具有低的弹性模量，适中的压缩强度和屈服强度，高的弹性能，医用锆合金的综合力学性能达到最佳，符合临床医学对植入材料的要求。

作为技术方案的进一步改进，所述各组成元素的纯度均≥99.9％。