一種Mg-Li系鎂合金及其製備方法
2023-06-11 06:33:41
專利名稱：一種Mg-Li系鎂合金及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種Mg-Li系鎂合金及其製備方法，屬於醫用鎂合金材料及其製備方法領域。
背景技術：
骨修復和血管支架材料具有龐大的市場需求，據統計,全球每年有180萬-200萬關節移植的病例，每年有超過100萬例血管支架被移植到病人體內用於醫治動脈硬化。
臨床上廣泛應用的血管支架材料主要包括316L不鏽鋼、Co-Cr合金、純鈦、Ni-Ti 合金、Pt-Ir合金以及金屬Ta等金屬材料。由於這些材料均為惰性材料，在體內不可自行降解，因此需二次手術取出，增加了治療費用及患者風險。此外，由這些惰性金屬材料製備的血管支架長期留存體內會帶來不可預期的負面影響，例如，引發炎症和血管內膜增生，進而導致血管再狹窄等。
目前醫用的生物可降解材料主要包括可降解高分子材料和可降解陶瓷材料，可降解高分子材料雖能夠完全被人體吸收，但強度低，很難提供結構支撐的功能，且其體內降解產物易引發炎症反應等問題；可降解陶瓷的缺點是韌性差，無法協調變形。
鎂是一種特殊的輕金屬，其密度為I. 74g/cm3，與人骨密度(I. 8-2. lg/cm3)接近。 與其他金屬植入物材料相比，其彈性模量和壓縮屈服強度更接近於正常骨組織，可有效避免「應力遮擋」效應，亦可克服目前可降解高分子材料力學性能差及可降解陶瓷韌性差的問題。鎂是人體內第二重要的陽離子，含量僅次於鉀。鎂在人體中正常含量為25克，且半數存在於骨骼中。此外，鎂在人體正常新陳代謝過程中不可或缺。鎂離子在細胞外液的濃度波動於O. 7-1. 05mmol/L之間，由腎臟和小腸保持其濃度穩定。鎂在工程應用中的主要缺點是低耐腐蝕性，但這個缺點卻成了其作為生物材料應用的優勢鎂在體內可以降解成可溶的無毒氧化物並無害的從腸組織中排洩出體外。因此，作為新型的生物醫用可降解材料，鎂及鎂合金具備良好的力學性能、可腐蝕降解性能及生物相容性，具有良好的應用前景。
國內外目前研究的醫用鎂合金體系主要有Mg-Zn系列、Mg-Ca系列、Mg-Mn系列、 Mg-RE系列和Mg-Si系列等。若把所述系列合金髮展成為血管支架材料應用於醫療領域，將面臨的一個主要問題是其塑性普遍偏低，如經過T6回火處理的鑄態WE43其延伸率僅有2%。 在鎂合金中添加Li元素不僅能獲得低密度、高比強度和高比剛度的超輕合金體系，而且由於Li的加入,使Mg的晶體結構由hep結構向bcc結構轉變,使其塑性明顯提高,硬化速率下降，冷熱加工性能提高，並隨著Li添加量的增加，改善程度提高。從生物學角度來看，研究人員曾就Li元素對幾種原代細胞系的細胞毒性進行了研究，結果表明Li元素對細胞的增殖無抑制作用。
然而，由於Li元素的添加不可避免地降低了合金的強度和耐腐蝕性能，而少量Al 元素的加入，在基體的晶界和晶內形成含Al金屬間化合物相，由於這些相的尺寸細小且分布較均勻，因此使合金的室溫強度升高。
稀土元素化學活性強，具有除氫、除氧、除硫等作用並且可改善合金流動性和加工性能，在室溫和高溫下具有固溶強化和沉澱強化的雙重作用，可提高合金的室溫和高溫強度。並且稀土加入鎂合金可細化合金組織，在合金表面形成含稀土氧化物的緻密氧化膜，降低合金的氧化傾向，提高合金的耐腐蝕性能。臨床中，含稀土類藥物可用於治療腫瘤，並且由於加入稀土金屬量少，不會對人體產生不利影響。發明內容
本發明的目的是提供一種Mg-Li系鎂合金及其製備方法，本發明提供的Mg-Li系鎂合金具有高塑性、高韌性、良好的生物相容性以及耐腐蝕性能。
本發明所提供的一種Mg-Li系鎂合金,包括Mg和Li ；
以重量百分比計，所述鎂合金中，Li的含量為(Γιο%，但不為零。
本發明提供的鎂合金可為緻密結構。
上述的Mg-Li系鎂合金，所述鎂合金還包括Al，所述Al的質量百分含量可為 (Γ5%，但不為零。
上述的Mg-Li系鎂合金，所述 鎂合金還可包括混合稀土元素，所述混合稀土元素的質量百分組成為50%的Ce、28%的La、6%的Pr和16%的Nd，所述混合稀土元素的質量百分含量為(Γ5%，但不為零。
上述的Mg-Li系鎂合金，所述鎂合金還可包括微量元素，所述微量元素可為錳、 錯、錫和乾中至少一種；
所述鎂合金中，所述微量元素的質量百分含量可為(Γ2%，但不為零。
上述的Mg-Li系鎂合金,所述鎂合金中，猛的質量百分含量不大於I. 5%,錯的質量百分含量不大於1%，錫的質量百分含量不大於2%，以及釔的質量百分含量不大於1%。
上述的Mg-Li系鎂合金具體質量組成可為由Li和鎂組成，Li的質量百分含量為 3. 39Γ8. 5%，餘量為鎂，具體可為3. 3%的Li和餘量的鎂或8. 5%的Li和餘量的鎂；由Li、Al 和鎂組成，Li的質量百分含量為3. 39Γ8. 5%, Al的質量百分含量為1%和餘量的鎂，具體可為3.3%的Li、1%的Al和餘量的Mg或8. 5%的Li、1%的Al和餘量的Mg ;由Li、Al、混合稀土元素和鎂組成，Li的質量百分含量為3. 59Γ8. 5%，Al的質量百分含量為2% 4%，混合稀土元素的質量百分含量為29Γ3. 5%和餘量的鎂，具體可為3. 5%的Li、2%的Al、2%的混合稀土元素和餘量的Mg、3. 5%的Li、4%的Al、2%的混合稀土元素和餘量的Mg、8. 5%的Li、2%的Al、 2%的混合稀土元素和餘量的Mg或8. 5%的Li、2%的Al、3. 5%的混合稀土元素和餘量的Mg。
本發明還提供了上述的鎂合金的製備方法，包括如下步驟在氬氣保護下，將下述 I)飛)中任一種物料添加到熔融的Mg中得到熔體；然後將熔體進行熔煉得到熔料；所述熔料經擠壓即得所述鎂合金；
I) Li ；
2) Li 和 Al;
3) Li、Al和混合稀土元素；
4) Li和微量元素；
5) Li、Al和微量兀素；和
6) Li、Al、混合稀土元素和微量元素。
上述的製備方法中，所述熔煉的溫度為65(T800°C，時間為30mirTl2h，如在720°C的條件下熔煉30min。
上述的製備方法中，在所述擠壓步驟之前，所述方法還包括將所述熔料澆注至預熱到200°C 300°C的模具中的步驟；
所述混合稀土可以Mg-RE中間合金的形式進行添加。
所述擠壓的溫度可為20(T400 °C，擠壓速度可為O. f 30m/min，擠壓比可為 10 100，如在280°C下進行擠壓，擠壓速率為O. 5m/min，擠壓比為25 :1。
上述的製備方法中，所述方法還包括向所述鎂合金的表面塗覆聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層的步驟；
所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層中的藥物可為紫杉醇、雷帕黴素、肝素、平滑肌細胞抑制劑、他克莫司、硝普納等中的一種或多種的任意組合；
所述聚合物藥物塗層中的聚合物可為殼聚糖、聚氨酯、聚乙二醇、聚酸酐和聚乳酸及其共聚物中至少一種；
所述蛋白藥物塗層中的蛋白可為磷酸膽鹼、膠原蛋白和明膠中至少一種。
上述的製備方法中，所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層的厚度可為 10nm 50 μ m,如10 30 μ m,可為單層或多層；
可通過浸塗、噴塗、電鍍或物理氣相沉積法等方法塗覆所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層。
本發明具有以下有益效果
本發明所提供的可降解血管支架用Mg-Li- (A1、RE)系合金，選用生物相容性良好的鋰作為合金化元素，改善了傳統鎂合金普遍具有的塑性較低的缺點。此外，選用了鋁和稀土元素進行合金化，通過成分設計及製備工藝的組合，彌補了因鋰的添加造成的強度和耐腐蝕性能的不足。
圖I為實施例I製備的擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金材料的金相顯微組織圖。
圖2為實施例I製備的擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金的室溫拉伸性能曲線。
圖3為實施例I製備的擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金在仿生模擬體液中進行電化學試驗得到的腐蝕性能曲線。
圖4為在實施例I製備的擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金浸提液中培養1、3和5天後ECV304和VSMC的細胞存活率，其中，圖4 (a)和圖4 (b)分別為ECV304和VSMC的細胞存活率。
圖5為在實施例I製備的擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金表面培養I小時後血小板的微觀形貌。
具體實施方式
下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。
下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。
下述實施例中所用的混合稀土元素的質量組成均為50%的Ce、28%的La、6%的Pr 和16%的Nd。
實施例I、製備Mg-Li- (Al、RE)合金
試驗原料採用純Mg(99. 9wt. %)、Li(99. 9wt. %)、Α1(99· 95wt. %)和 RE(99. 8wt. %)。
分別按照下述配比稱取物料
(a) Li 3. 3% 和餘量的 Mg ;(b) Li 3. 3%、Al 1% 和餘量的 Mg ; (c) Li 8. 5% 和餘量的 Mg; (d) Li 8.5%、Al 1% 和餘量的 Mg ; (e) Li 3. 5%、Al 2%、RE 2% 和餘量的 Mg ; (f) Li3.5%、A1 4%、RE 2% 和餘量的 Mg ；(g) Li 8. ·5%、A1 2%、RE 2% 和餘量的 Mg ；(h) Li 8. 5%、A1 2%、RE 3. 5%和餘量的Mg ；
將細小鎂錠置於坩堝中，在氬氣保護環境下熔融，然後將上述稱取的其餘組分添加到熔融的Mg中，攪拌5分鐘，將熔體快速升溫到720°C左右，保溫並靜置30分鐘後將熔料澆注到預先預熱到300°C的模具中，打磨澆口，經250°C退火12小時，在280°C下擠壓，擠壓速率為O. 5m/min，擠壓比為25 :1。
本實施例得到擠壓態Mg-Li- (Al、RE)合金Mg-3. 3Li，Mg-3. 3Li_lAl， Mg-8. 5Li, Mg-8. 5Li_lAl，Mg-3. 5Li_2Al_2RE，Mg-3. 5Li_4Al_2RE，Mg-8. 5Li_2Al_2RE 和 Mg-8. 5Li-2Al-3. 5RE，其顯微組織如圖I所示，依次為圖I (a)、圖1(b)、圖I (C)、圖1(d)、 圖 I (e)、圖 I (f)、圖 I (g)和圖 I (h)。
由圖I可得知，隨著Li元素的含量從3. 3%增加到8. 5%，合金的相組成由單相的 α (Mg)轉變為雙相的a (Mg)+i3 (Li )，添加混合稀土元素後晶粒尺寸明顯降低，基體中可觀察到金屬間化合物的析出。
實施例2、Mg-Li- (Al、RE)合金的室溫拉伸性能
將實施例I製備的Mg-Li- (Al、RE)合金按照ASTM-E8-04拉伸測試標準製備拉伸樣品，SiC耐水砂紙打磨至2000#，利用通用拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為 lmm/min。
本發明製備的Mg-Li-(A1、RE)合金的室溫拉伸性能如圖2所示，由圖2可得知，隨著Li含量的增多，合金的屈服強度和抗拉強度有所下降，延伸率得到了很大程度的提高。 鋁元素的添加提高了合金的力學強度和延伸率，稀土元素的添加改善了合金的屈服強度和拉伸強度，但對延伸率影響不大。
實施例3、Mg-Li- (Al、RE)合金的抗腐蝕性能
將實施例I製備的Mg-Li- (A1.RE)合金線切割加工成φ 10><2inm3的圓片狀試樣， 用砂紙打磨拋光至2000#。然後在37°C的Hank』 s模擬體液中進行電化學試驗。
採用本發明得到的Mg-Li- (A1、RE)合金的腐蝕電位-腐蝕電流曲線如圖3所示。
本發明製備的Mg-Li- (A1、RE)合金的腐蝕電位-腐蝕電流曲線如圖3所示，分析該圖可得知，對於未添加RE元素的合金而言，隨Li元素含量的增加，合金的耐腐蝕性能下降，表現為腐蝕電位下降，腐蝕電流升高;A1元素的添加引起合金腐蝕電流的下降，提高了合金的耐腐蝕性能。而對於添加了 RE元素的鎂合金，表現則恰好相反。
實施例4、
採用實施例3中的方法製備試驗樣品，紫外照射滅菌2h後按照表面積/浸提液體積比為I. 25cm2 -rn^l的標準製備浸提液(將材料浸泡在不含血清的DMEM培養基中，經72小時後，將培養基取出離心，所得上清液即為浸提液)，採用血管內皮細胞ECV304和血管平滑肌細胞VSMC評價本發明得到的Mg-Li- (Al、RE)合金的細胞毒性。
將細胞在浸提液中分別培養ld、3d和5d後的細胞存活率如圖4所示，由該圖可得知，隨著細胞在合金浸提液中培養時間的延長，ECV304細胞的活性基本無明顯變化，而 ECV304細胞的存活率則明顯下降，表明Mg-Li- (Al、RE)合金可在不影響血管平滑肌細胞生長的情況下有效抑制血管內皮細胞的生長。
實施例5、
採用實施例3中的方法製備試驗樣品，將富集血小板的血漿滴於樣品表面培養I 小時後採用2. 5%的戊二醛固定並採用濃度分別為50%，60%, 70%, 80%, 90%, 95%，100%的梯度乙醇進行脫水處理，樣品表面血小板的形貌如圖5所示，由該圖可得知，在所有的實驗材料表面,血小板均表現為球形,說明材料具有良好的血液相容性。
實施例6、
採用實施例3中的方法製備試驗樣品，然後按照下述提拉法在其表面塗覆L-聚乳酸(PLLA)以及紫杉醇藥物塗層，厚度為1(Γ30μπι，製備PLLA、紫杉醇表面改性材料
(I)使用濃硝酸、氫氟酸配置酸洗液，將樣品酸洗20min。·
(2)在IOml三氯乙烷中溶解O. 5gPLLA (分子量8(T200kDa)，15mg紫杉醇。
(3)將酸洗後的合金植入體放入膠體中浸泡30分鐘後勻速提拉取出，真空室溫乾燥過夜，得到PLLA藥物塗層的覆膜材料。
權利要求
1.一種Mg-Li系鎂合金，其特徵在於所述鎂合金包括Mg和Li ； 以重量百分比計，所述鎂合金中，Li的含量為(TlO%，但不為零。
2.根據權利要求I所述的鎂合金，其特徵在於所述鎂合金還包括Al，所述Al的質量百分含量為(Γ5%，但不為零。
3.根據權利要求2所述的鎂合金，其特徵在於所述鎂合金還包括混合稀土元素，所述混合稀土元素的質量百分含量為0飛％，但不為零。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的鎂合金，其特徵在於所述鎂合金還包括微量元素，所述微量元素為錳、鋯、錫和釔中至少一種； 所述鎂合金中，所述微量元素的質量百分含量為(Γ2%，但不為零。
5.根據權利要求4所述的鎂合金，其特徵在於所述鎂合金中，錳的質量百分含量不大於I. 5%，鋯的質量百分含量不大於1%，錫的質量百分含量不大於2%，以及釔的質量百分含量不大於1%。
6.權利要求1-5中任一項所述的鎂合金的製備方法，包括如下步驟將下述I)飛)中任一種物料添加到熔融的Mg中得到熔體；然後將熔體進行熔煉得到熔料；所述熔料經擠壓即得所述鎂合金； DLi ；2)Li 和 Al ； 3)Li、Al和混合稀土元素； 4)Li和微量元素 5)Li、Al和微量兀素；和 5) Li、Al、混合稀土元素和微量元素。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於所述熔煉的溫度為65(T80(TC，時間為30min 12小時。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特徵在於在所述擠壓步驟之前，所述方法還包括將所述熔料澆注至預熱到200°C 300°C的模具中的步驟； 所述擠壓的溫度為20(T40(TC，擠壓速度為O. f30m/min，擠壓比為1(Γ ΟΟ。
9.根據權利要求6-8中任一項所述的方法，其特徵在於所述方法還包括向所述鎂合金的表面塗覆聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層的步驟； 所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層中的藥物為紫杉醇、雷帕黴素、肝素、平滑肌細胞抑制劑、他克莫司、硝普納等中的一種或多種的任意組合； 所述聚合物藥物塗層中的聚合物為殼聚糖、聚氨酯、聚乙二醇、聚酸酐和聚乳酸及其共聚物中至少一種； 所述蛋白藥物塗層中的蛋白為磷酸膽鹼、膠原蛋白和明膠中至少一種； 所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層的厚度為10ηπΓ50 μ m, 通過浸塗、噴塗、電鍍或物理氣相沉積法塗覆所述聚合物藥物塗層或蛋白藥物塗層。
10.權利要求1-5中任一項所述Mg-Li系鎂合金在製備醫用植入體中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種Mg-Li系鎂合金及其製備方法。所述鎂合金包括Mg和Li；以重量百分比計，所述鎂合金中，Li的含量為0~10%，但不為零，餘量為Mg。所述的鎂合金的製備方法，包括如下步驟將下述1)~6)中任一種物料添加到熔融的Mg中得到熔體；然後將熔體進行熔煉得到熔料；所述熔料經擠壓即得所述鎂合金；1)Li；2)Li和Al；3)Li、Al和混合稀土元素；4)Li和微量元素；5)Li、Al和微量元素；和5)Li、Al、混合稀土元素和微量元素。本發明所提供的可降解血管支架用Mg-Li-(Al、RE)系合金，選用生物相容性良好的鋰作為合金化元素，改善了傳統鎂合金普遍具有的塑性較低的缺點。
文檔編號A61L27/04GK102978493SQ20121053925
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者鄭玉峰, 周維瑞, 成豔 申請人:北京大學