可降解高韌耐蝕醫用Mg-Li-Ca合金的製作方法

2023-05-29 17:34:51 1

專利名稱：可降解高韌耐蝕醫用Mg-Li-Ca合金的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用生物材料領域的生物體內可降解高塑韌耐蝕Mg-Li-Ca鎂合金材料。
背景技術：
鎂合金具有良好的生物相容性和力學相容性，克服了可降解醫用高分子材料力學性能較低和陶瓷材料韌性較差的缺點。鎂的彈性模量(E = 45GPa)與人骨(E = 17 20GPa)最接近，能有效降低「應力遮擋效應」，是一類具有骨誘導作用的金屬基可降解生物材料。鎂是人體器官內第四位含量最多的陽離子，幾乎參與人體內所有的新陳代謝過程，且鎂腐蝕不會產生有毒或有害的腐蝕產物。因此，鎂合金作為新一代醫用植入材料具有非常誘人的發展前景。然而，目前醫用鎂合金的動物試驗和臨床研究表明，鎂及其合金植入材料存在塑韌性和耐蝕性能不足的問題，還不能完全滿足植入材料對壽命的要求。鎂合金植入動物體內後一般2-4個月就因腐蝕降解而消失。目前研究的絕大數鎂合金為汽車、航空領域商用合金，並非針對醫用而設計。其成分設計、機械性能(如塑性、韌性)、耐蝕性不能完全滿足醫用要求。例如，血管支架在服役時要求材料的延伸率大於20%。骨骼要求高抗衝擊能力。據報導，非晶態MgSiCa合金在降低氫氣產生速度方面比晶態有明顯效果。但其塑性(Plasticity)遠比晶態差，非晶Mg66ai30Ca4 (壓縮)塑性低於2%。目前，國內外有關醫用鎂合金髮明專利有Mg-ai系、Mg-Mn系、Mg-RE系和Mg-Si系。其中，Mg-Si系合金為最多。① Mg-Zn 系Mg-Zn > Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y> Mg-Zn-Fe > Mg-Zn-Ca-Fe > Mg-Zn-Mn-Ca>Mg-Zn-Mn-Ca-Fe ；② Mg-Mn 系Mg-Mn_Ca、Mg-Mn-Zn > Mg-Mn-Zn-Ca ；③ Mg-RE 系Mg-Y-Nd-Zr、Mg-Nd-Y-Zr-Ca-Zn ；④Mg-Si 系Mg_Si 合金。Mg-Li合金具有獨特的低密度和優良的延展性。例如，鑄態Mg-I Iat % Li合金在室溫下，拉伸屈服強度為105MPa、延伸率達到39%。隨Li含量的變化，Mg-Li合金組織結構將發生三種結構(α，α+β，β)的變化。2005年，Witte博士報導了鎂鋁合金ΑΖ31、ΑΖ91和稀土鎂合金TO43、鎂鋰合金LAE442 (Li 4wt%,Al 4wt%,RE 2wt% )動物體內腐蝕試驗結果。研究發現，與其他三種材料相比，LAE442的耐蝕性能最好。動物植入試驗3個月表明，擠壓LAE442合金腐蝕速度非常低，僅為0. 31 0. 58mm/a，基本達到醫用可降解鎂合金要求。但是，LAE442合金含有高達4%的可引起神經毒性的Al元素。發明專利《可控腐蝕降解金屬植入材料及其應用》(申請號200510046360. 6)中涉及鎂鋰系列(主要是二元Mg-1-15% Li及添加少量Li、RE、Zn和Si等元素組成的三元系或多元系，代表合金如LA91、LAZ933等)、Mg-Ca系列(主要是二元Mg-O. 1 3% Ca及添加少量RE、Zr、Zn等元素組成的三元系或多元系)。微量Li元素對人體具有必需功能或有益作用。Mg-Li合金良好的生物相容性已得到證實。LAE442植入兔子試驗業已證明，Li元素沒有對宿主產生炎症、感染、不良宿主反應、肝腎在組織學上的細胞結構無改變，無炎性細胞侵潤，也沒有觀察到皮下氣囊和纖維囊。動物肝臟和骨中Li含量分別為1. 4μ g/kg和0. 08mg/kg，遠低於其允許值2. 8 μ g/kg和0. i;3mg/kg。另外，細胞毒性和免疫性試驗也表明，Li元素對細胞活性沒有任何影響，也不增加炎症反應。

發明內容
本發明針對現有醫用鎂合金存在的耐蝕性和塑韌性不足的問題，提出了一種新型由人體必需元素Mg、Ca和微量元素Li組成的生物醫用可降解Mg-Li-Ca三元合金。本發明的技術方案是合金組分及質量百分比為Li 1.0-9.5%，Ca 0. 6-1. 2%,其餘為Mg。採用高純度高潔淨真空冶煉技術製造，並經過塑形變形加工和熱處理提高其力學性能。其原理是利用鎂易於在人體體液中的腐蝕降解，並通過Li、Ca合金元素來調控腐蝕速率。Li是唯一可改變Mg結構的合金元素，在人體環境中具有提高鎂的腐蝕產物Mg(OH)2緻密性的作用。特別是，Mg-Ca合金中Li元素的加入，Li+離子與MgCl2形成LiCl。LiCl在表面氫氧化鎂孔隙中沉澱下來而成為阻擋層，導致了 Mg(OH)2膜的緻密性提高。Ca是人體必需的元素之一。人體每天正常攝取Ca量就高達llOOmg。Ca能維持骨髂的強度，血液中也含有少量的Ca，它在血液凝固時起重要的作用。Ca2+還可以與Na+、K+共同協調神經和肌肉的活動。Ca可顯著提高鎂合金在高溫下的抗氧化性，細化晶粒，從而提高鎂的強度和塑性等。在一定範圍(0.6 1.0%)內可提高鎂合金的耐蝕性，形成的碳酸鹽腐蝕產物可形成具有保護性的膜層。且價格低廉，可以部分代替稀土元素，降低成本。Mg-Li-Ca合金的腐蝕機理如下陽極反應Mg — Mg2++2e(1)陰極反應2H20+2e — 20Η>Η2 (2)總反應為Mg+2H20 — Mg (OH) 2+Η2 個(3)Mg-Li-Ca合金表面首先與空氣中的氧形成Mg0、Ca0和Li2O,然後在Hanks溶液中轉變為氫氧化物2Mg0+2H20 — 2Mg (OH) 2(4)
2Ca0+2H20 — 2Ca (OH) 2(5)
Li20+H20 .—2Li0H(6)
合金表面腐蝕後，基體中除Mg以外，Ca和Li元素也會遭受j容液進一步的腐蝕
Ca+2H20 --Ca (OH) 2+H2 個(7)
2Li+2H20—2Li0H+H2 個(8)
Mg腐蝕導致溶液pH值的變化為
Mg2++20r—Mg(OH)2 I(9)
Ig [Mg2+]=16.95-2pH(10)
當Mg2+達到過飽和時，
[Mg2+]=10_3-9mol/L(11)
pH = 10.43(12)
根據式⑶，Li腐蝕產生了 LiOH，它在37°C IOOml水中的箱 解度為12. Sg,即在
IL水中能溶解128gLiOH,
為5. 33mol/L。則溶液pOH值為pOH = -log [OF] = -0. 73(13)則pH = 14-pOH = 14+0. 73 = 14. 73 > 10. 43 (14)可見，浸泡初期，Li的腐蝕導致了 Mg合金表面/溶液局部鹼度快速升高，Mg基體進入鈍化區。隨後的腐蝕過程中，將形成MgC03、CaCO3或CaMgC03、CaMgPO4等。由於Hank』 s溶液中HC03_離子濃度較高，所以形成了較多的碳酸鹽
Mg2+ + OFT + HCO3 MgCO3 + H2O (15)
Ca2++ OH_ + HCO; — CaCO3 + H2O (16)CaMgPO4的形成是因為Ca和Mg生成氫氧化物後，再與溶液中的H2PO4.或HPO42.結
合生成。
Ca2+ + Mg2+ + 20H + H2POf 4CaMgPO4+2H20 (17)
Ca2+ +Mg2+ + OH" + HPO:- CaMgPO4 + H2O (18)Mg-Li-Ca三元合金具有良好的生物相容性和力學性能，可以滿足心血管支架、骨釘、骨板等醫療領域對生物材料的綜合力學性能要求和生物安全性要求。


圖1擠壓態三元鎂合金Mg-1. 33Li-0. 6Ca的顯微組織。圖2擠壓態Mg-1. 33Li-0. 6Ca與Mg_0. 54Ca合金在Hank，s溶液中pH值隨浸泡時間變化曲線比較。圖3擠壓態Mg-1. 33Li-0. 6Ca與Mg_0. 54Ca合金在Hank』 s溶液中析氫量隨時間的變化曲線比較。圖4擠壓態Mg-1. 33Li-0. 6Ca與Mg_0. 54Ca合金在Hank，s溶液中pH值隨時間的變化曲線比較。圖5擠壓態Mg-1. 33Li-0. 6Ca與Mg_0. 54Ca合金在Hank，s溶液中腐蝕產物XRD比較。圖6擠壓態Mg-1. 33Li-0. 6Ca合金在Hank』 s溶液中浸泡3 後的宏觀腐蝕形貌。圖7擠壓態Mg-9. 29Li-0. 88Ca合金顯微組織。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本發明例在以本發明技術方案為前提下進行，給出了詳細的實施方式和具體操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。原材料Mg的純度為99. 99%，Li的純度為99. 95%，Ca的純度為99. 75%。採用高純度高潔淨氬氣保護下的真空冶煉技術鑄造成型，並經過280-42(TC擠壓變形，製成板材、棒材或管材。擠壓變形工藝過程為先預熱，後擠壓。坯料預熱溫度為觀0-3601，時間為5h ；擠壓機模具溫度比坯料溫度低20°C，保溫時間為1 5h ；擠壓速度為1 3m/min，擠壓比為16 20 1。實施例1三元Mg-1.33Li_0. 60Ca合金組分及質量百分比為Li 1. 33%，Ca 0. 60%，其餘為Mg。鑄態Mg-1. 33Li-0. 60Ca合金擠壓成5mm厚的板材，其合金組織為晶粒細小的等軸再結晶組織(平均晶粒尺寸為8 μ m)和彌散分布的第二相顆粒CaMg2、CaLi2組成。其抗拉強度、屈服強度和延伸率分別為180MPa，107MPa和Μ. 0%。模擬人體體液為Hank』 s溶液，其化學成分為8. Og/L NaCl,0. 4g/L KCl、0. 14g/LCaCl2,0. 35g/L NaHCO3U. 0g/LC6H1206、0. lg/L MgCl2 · 6H20、0. 06g/L MgSO4 · 7H20、0. 06g/LNa2HPO4^O. 06g/L KH2PO4。電化學試驗表明，Mg-1. 33Li-0. 6Ca在Hank』 s溶液中的腐蝕電流密度為3. 98X l(T5A/cm2，或 0. 92mm/a 或 0. 18g/(cm2. h)。圖2失重腐蝕速率表明，Mg-Li-Ca三元合金比Mg-Ca 二元合金耐蝕性能高。在Hank』 s溶液中浸泡8小時後Mg-0. 54Ca合金的平均腐蝕失重速率為134 μ g/day · cm2，而Mg-1. 33Li-0. 6Ca合金基體的平均腐蝕失重速率為64 μ g/day 'cm2,比Mg-0. MCa合金降低了 110%。隨著時間的延長，兩種合金的腐蝕速率均出現了不同程度的下降，而且兩者之間的腐蝕速率差不斷擴大，Mg-1. 26Li-0. 56Ca試樣的144h平均失重速率為37 μ g/ (cm2 · h)，遠小於Mg-0. 54Ca的530 μ g/ (cm2 · h)。這表明，相對Mg-0. 54Ca合金，浸泡時間越長，Mg-1. 26Li-0. 56Ca合金的耐蝕性優勢越明顯。圖3析氫量與浸泡時間曲線也表明在Hank』 s溶液中Mg_l. 33Li_0. 6Ca合金耐蝕性優於Mg-0. 54Ca合金。Mg-0. 54Ca合金的析氫過程經歷了一個先慢後快的過程，曲線的斜率由小變大，呈開口向上的拋物線狀。在第池時，析氫量開始明顯增加。Mg-1. 33Li-0. 6Ca合金的析氫量的增長平緩。在時，Mg-0. MCa合金的析氫量為37. 2ml,而 Mg-1. 33Li-0. 6Ca 合金的析氫量為 10. 2ml,比 Mg-0. 54Ca 合金減少了 26. 8ml,Mg-0. 54Ca合金的析氫量大約是Mg-1. 33Li-0. 6Ca合金析氫量3. 7倍。圖4pH值的變化表明，腐蝕初期，Mg-1. 33Li_0. 6Ca比Mg_0. 54Ca的腐蝕速率接近；隨後，Mg-1. 33Li-0. 6Ca腐蝕速率隨著時間的增加越來越小，所處溶液的pH值反而遠低於Mg-0. 54Ca所處溶液的pH值。Mg-1. 33Li_0. 6Ca合金在36h後pH值基本穩定在8. 9，而Mg-0. 54Ca則在40h後pH值達到9. 7。所以，Mg-1. 33Li_0. 6Ca合金的pH值增加速度明顯慢於Mg-0. 54Ca合金。圖5Mg_l. 33Li-0. 6Ca合金的腐蝕產物XRD結果表明，在Mg_l. 33Li_0. 6Ca合金表面有 LiH、Mg (OH)2, MgCO3> CaCO3> CaMgCO3 以及 CaMgP04。而 Mg-Ca 合金腐蝕產物為MgC03、CaCO3 和 CaMgPO4。圖6表明Mg-1. 33Li-0. 6Ca合金在Hank，s溶液中浸泡3 後的表面膜層完整，腐蝕較輕微。實施例2工藝條件同實施例1，製備了 Mg-l.33Li_0.95Ca三元合金。在Hank's溶液中，Mg-1. 33Li-0. 95Ca的腐蝕電流密度為3. 98 X 10_5A/cm2，而Mg-0. 79Ca的腐蝕電流密度為1. 23X l(T4A/cm2。擠壓態Mg-1. 33Li_0. 95Ca合金的耐蝕性比擠壓態Mg-0. 79Ca高一個數量級。實施例3根據實施例1的工藝條件，製備了具有兩相(α+β)組織的三元合金Mg-9. 29Li-0. 88Ca。擠壓態Mg_9. 29Li-0. 88Ca合金因具有晶粒細小的組織(圖7)，比鑄態合金的機械性能和耐蝕性能有顯著的提高。鑄態Mg-9. 29Li-0. 88Ca合金的抗拉強度98. OMPa，屈服強度為74. OMPa，延伸率為
4.2%0擠壓態Mg-9. 29Li-0. 88Ca合金的抗拉強度120. OMPa，屈服強度為110. OMPa，延伸率為25.0%。這說明擠壓態合金擁有良好的綜合力學性能。鑄態和擠壓態Mg-9. 29Li-0. 88Ca平均失重腐蝕速率分別為沈μ g/cm2. h和
5.2 μ g/cm2· h。與現有商業如WE43、LAE442以及Mg-Ca合金相比，本發明的創新性主要是Mg-Li-Ca合金不含重稀土元素和鋁元素，具有更好的生物相容性、更高的延伸率和優良的耐蝕性能。特別是，隨著浸泡時間的延長，Mg-Li-Ca合金耐蝕性優點越來越明顯，溶液pH值增長非常緩慢。因此，醫用Mg-Li-Ca合金具有重要的應用前景。
權利要求
1.一種醫用可降解高韌耐蝕Mg-Li-Ca鎂合金材料。其特徵在於，合金組分及質量百分比為Li 1. 0-9. 5%,Ca 0. 6-1. 5%,其餘為Mg。
2.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料主要含有Lil. 0-9. 5%。
3.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料主要含有=Ca 0. 6-1. 5%0
4.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料經過^0-420°C的擠壓變形工藝。
5.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料具有晶粒細小的再結晶組織和彌散分布的第二相CaM&、CaLi20
6.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料的抗拉強度、屈服強度、延伸率分別為160-180MPa、110-120MPa、20-26%。
7.根據權利要求1所述的醫用可降解Mg-Li-Ca鎂合金材料，其特徵在於，該材料在Hank』 s溶液中的耐蝕性比Mg-Ca合金高。
全文摘要
本發明涉及一種生物材料領域在生物體內可降解的高韌耐蝕醫用Mg-Li-Ca合金材料。本發明是一種由Mg、Li和Ca組成的三元鎂合金體系，其組分及質量百分比為Li 1.0-9.5％，Ca 0.6-1.5％其餘為Mg。採用高純度高潔淨真空冶煉技術製造，經過變形處理細化組織、提高綜合力學性能。其原理是利用鎂在人體中易於降解特點，通過添加Li和Ca合金元素來調控鎂的力學和耐蝕性能。Li是唯一可改變Mg結構的合金元素，可提高鎂腐蝕產物的緻密性的作用；Ca可細化組織晶粒，在人體體液中形成的腐蝕產物CaCO3、CaMgCO3具有保護性。因此，醫用Mg-Li-Ca合金具有良好生物相容性、較高機械強度、高塑形和優良的耐蝕性能，具有重要的應用前景。
文檔編號C22C23/00GK102392163SQ20111034717
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者曾榮昌 申請人:山東科技大學