[发明专利]降解速率可控的Mg-Zn-Sn系镁合金及其制备方法和应用

说明书

本发明属于金属材料技术领域，涉及降解速率可控的Mg－Zn－Sn系镁合金及其制备方法和应用。所述Mg－Zn－Sn系镁合金包括如下重量百分比的元素组分：Zn0.9％～5.0％，Sn0.5％～1.9％，余量包括Mg和不可避免的杂质；该合金的制备方法包括：依据Mg－Zn－Sn系镁合金的组成配比，取各组分原料，在保护气氛下进行熔炼，熔炼温度为690～790℃，待合金化元素全部熔化后，降温至630～680℃静置保温30～120min后，冷却，得到Mg－Zn－Sn系镁合金铸锭。通过采用控制合金成分和熔炼工艺相结合的方式，有效控制合金中第二相含量，组织形貌和分布，大幅改善合金的耐腐蚀性能，降解速度可控性好。

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，涉及生物应用镁合金金属材料，尤其涉及一种降解速率可控的Mg-Zn-Sn系镁合金及其制备方法和应用。

背景技术

随着医学和材料科学的发展，人们希望植入体内的材料只是起到暂时代替的作用，并随着组织或器官的再生而逐渐降解吸收，以最大限度减少植入材料对机体的长期影响。金属材料因具有较高的机械强度、弹性和塑性等综合性能，将其作为植入材料已经应用在很多方面。体液对金属植入材料的腐蚀难以避免，尽管有些金属元素在发挥细胞功能或是维生素合成中是必不可少的，但是，当含量高于一定值，人体就不能接受。体液腐蚀会导致金属植入材料逐步损失，而影响材料性能，更重要的是腐蚀的产物从金属材料表面逸出进入生物体组织，可能导致不希望的结果，从生物医学可降解骨科植入材料的应用角度考虑合金的设计，材料的生物相容性、力学性能及腐蚀性能都应得到兼顾。

近年来，镁合金作为新一代革命性的金属医用材料具有生物可降解特性受到了研究者们的特别关注。可降解生物医用镁合金材料的设计目的是为受损伤/疾病组织愈合期间提供短期的支撑，在这之后，逐渐降解吸收。这就要求材料具有合适的力学性能和逐步降解的相应的腐蚀阻力。在骨组织愈合的12-18星期内，螺钉、针和其他骨科植入物在承重期间应保持力学性能完整。Mg基合金必须兼具与人骨接近的高强度和低模量，以避免应力遮挡效应。有研究者提出了作为骨固定期间使用的生物材料的具体的力学和腐蚀要求。在37℃的模拟体液中腐蚀速率需要＜0.5mm/year，且强度高于200MPa，延伸率大于10％。此外，作为一种新生代降解材料，镁合金必须在人体内具有生物相容性和生物活性。因此，合金化元素应从生命体必须元素中进行选择，其中，人体的营养元素Ca，Mn，Zn，Sn，Al，Sr等均是较为理想的可降解镁基合金的选择元素。

目前，可降解生物医用镁合金已经掀起了广泛的研究热潮，但现存的难题依然是难以控制降解速度和析氢速度，镁合金的降解速度太快，在使用过程中会因为承载能力不够或降解速度过快导致生物植入材料失效，析氢速度太快，超过人体耐受度，会导致皮下气泡的形成，引起组织坏死，这两种情况都将严重影响镁合金生物材料在医学领域中的应用。因此，在基于生物可降解镁的医疗器件的设计中，低析氢，可控降解的生物医用镁合金的设计和研究是我们考虑的方向。

在上述几种常见的人体营养元素中，Zn，Sn元素在镁中均具有较高的固溶度，Zn在镁中的固溶度为2.4at.％，Sn在镁中的固溶度为3.36at.％，可以通过固溶强化来提高其力学性能使其能满足医用支撑的需求。目前Mg-Zn系生物医用镁合金因为可以同时提高力学和耐蚀性能而得到了广泛的研究，Mg-Sn二元合金也因良好的延展性能及较低的析氢速率而引起了生物医用研究者的青睐，若二者同时添加，同时综合Zn元素提高力学和Sn元素抑制析氢的特点，将有望得到一种低析氢，降解速度可控的生物医用镁合金材料。此外，二者均为人体营养元素，在镁合金中适量地添加，也可以保证其在人体内的生物相容性。经文献调研发现，目前Mg-Zn-Sn三元合金作为生物医用可降解材料的报道却非常有限。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容