[发明专利]一种低弹性模量高强度的医用锆基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种低弹性模量高强度的医用锆基复合材料及其制备方法，属于医用生物材料领域，所述复合材料包括如下百分比原料：二硼化钛1.0～3.0wt.％，钛6.67～7.86wt.％，铌20.36～21.10wt.％，锆为余量。本发明是通过利用TiB₂在含钛的锆基合金中的原位自生反应机理，将产生的TiB作为增强相来强化合金的性能，得到TiB增强相体积分数为2.54～7.70vol.％的锆基生物医用合金，经过物相分析、显微组织观察分析、力学性能及腐蚀性能等测试，其兼具有低弹性模量、高强度和综合性能较好的特性，符合临床医学对植入材料的要求。

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，尤其是一种低弹性模量、高强度的医用锆基复合材料及其制备方法。

背景技术

大量研究表明如果植入物的材料的弹性模量比人体高，将会使得人体硬组织替代材料和自然骨的力学性能不匹配，从而导致严重的应力屏蔽效应。当外力作用于人体时，植入物材料所受应力不能被有效地转移，从而导致植入物植入后的骨吸收和松动，人骨弱化及萎缩，不仅会导致植入物失效，还会造成对人体的伤害。

近来，弹性模量差异导致植入物与人体组织界面的弹性变形的不匹配而引起的应力屏蔽效应引起了相关领域研究人员及医务人员的广泛关注。由于弹性模量差异大而导致植入手术失败的案例常有发生。目前大多数金属医用生物材料，如钛及其合金、锆及其合金的弹性模量为55GPa～125GPa，远高于人体自然骨骼的弹性模量，不符合人体植入物适用力学标准。传统的生物医用合金Ti-6Al-4V的弹性模量达到110GPa，比人骨的弹性模量(10～30GPa)大得多，且含有V和Al元素，两者均具有一定的细胞毒性，若在人体内富集将会引起人体神经和内脏系统的一系列并发症。有研究表明，Al元素的富集很容易引起阿尔兹海默病(老年痴呆症)，而V元素的富集容易导致肾脏损伤。已开发出的锆基金属玻璃的弹性模量(80～119GPa)仍然比人骨的高得多，且其机械性能较差，不符合临床医学应用的要求。

目前，大量研究人员开发出的单相β型钛、锆合金的弹性模量极其接近人体自然骨骼和拥有良好的临床适用性，成为一类具有巨大应用前景的新型生物医用材料。然而单相β型钛、锆合金由于其亚稳的体心立方结构，其极限抗压强度、屈服强度、硬度等机械性能比α型钛、锆合金都有很大程度的降低。此外，锆的磁化率比钛的要低得多，更能避免核磁共振检测时由于磁化引起的图像失真，有利于诊断的可靠性。

因此，现在需要开发出一种兼具低弹性模量和高强度的综合性能优良的新型医用生物材料。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种低弹性模量且高强度的医用锆基复合材料及其制备方法，是采用原位自生反应生成增强相，增强相按照在合金内体积分数的不同有不同的效果，所设计出来的医用复合材料在保证生物相容性的同时还兼具有与自然人骨相适配的低弹性模量和高强度等优异性能。

本发明为实现上述目的，提供如下技术方案：

一种低弹性模量高强度的医用锆基复合材料，所述复合材料由二硼化钛、钛、铌和锆制成，是具有2.54～7.70vol.％的TiB增强相的锆基生物医用合金。

进一步地，所述复合材料包括如下百分比原料：二硼化钛1.0～3.0wt.％，钛6.67～7.86wt.％，铌20.36～21.10wt.％，余量为锆。

进一步地，所述复合材料包括如下百分比原料：二硼化钛1.0wt.％，钛6.67wt.％，铌21.10wt.％，余量为锆。

进一步地，所述复合材料的弹性模量为29.93～32.81GPa，弹性能为18.04～24.50MJ/m³，最大抗压强度为1204～1397MPa，延展率为33.01～39.04％。

本发明提供所述低弹性模量高强度的医用锆基复合材料的制备方法，包括如下步骤：