[发明专利]一种Zn-RE系锌合金及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Zn‑RE系锌合金及其制备方法与应用。Zn‑RE系锌合金的材料主元素为Zn，合金元素为非放射性稀土元素RE中的一种；以质量百分比计，RE的质量百分数为0～3％，但不包括0；余量为锌；所述非放射性稀土元素RE，包括Sc、Y、¹³⁹La、Ce、Pr、Nd、¹⁵⁰Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、¹⁷⁵Lu。本发明的Zn‑RE系锌合金相较于现有技术的含稀土多元锌合金而言，合金成分减少，简化了制备工艺流程，通过不同加工工艺可以实现对材料内部显微组织的调整以及性能的调控，使其力学性能大大提高，同时具有良好的生物相容性，可用于制备可降解医用植入体。

技术领域

本发明涉及医用金属材料领域，特别涉及一种Zn-RE系锌合金及其制备方法与应用。

背景技术

传统的医用金属材料，如不锈钢、钴合金、钛合金等，具有良好的机械性能和耐腐蚀性；但是由这些金属材料制成的植入物需要进行第二次手术取出，否则会在体内长期留存，对周围组织造成不同程度的刺激。例如，骨折内固定材料的弹性模量远大于人体骨骼，存在“应力遮挡”问题，使骨折愈合缓慢，甚至可能引起继发性骨折。心血管支架会引起内膜增生和支架内再狭窄。此外，由于长期的磨损，金属溶解的有害离子可能导致炎症和过敏，造成变形和致癌。因此，医用金属材料在临床应用中的安全性和有效性有待提高。理想的植入材料应在疾病治疗完成后从体内消失。

可降解金属是指能够在体内逐渐被体液腐蚀而发生降解的一类医用金属，其主要包括镁基合金、铁基合金和锌基合金。锌的标准电极电位介于镁和铁之间，为解决镁基合金降解速率过快和铁基合金降解速率过慢的问题提供了新方案。但由于纯锌本身的强度和塑性较差，难以达到临床的应用需要，因此需要对纯锌材料进行合金化处理以增强材料的综合性能，包括力学性能、降解性能及生物相容性等。

有报道(Mostaed E；Sikora-Jasinska M；Mostaed A,et al.Journal of theMechanical Behavior of Biomedical Materials,2016,60:581-602)指出，将镁(Mg)加入锌(Zn)中制成Zn-0.5Mg可降解锌合金材料，可以使合金具有良好的强度、延展性且在降解过程中具有适当的机械完整性。还有研究(Yin YX；Zhou C；Shi YP,et al.MaterialsScienceEngineering C-Materials for Biological Applications,2019,104:109896)以316L不锈钢和纯锌为对照，对三种锌合金(Zn-0.8Cu、Zn-0.8Mn和Zn-0.8Li)的血液相容性进行了评价，发现在锌合金上粘附的血小板呈圆形，几乎没有伪足扩散，说明锌合金能够满足生物体对植入物的血液相容性要求，具有作为生物可降解材料的可能。

但是生物可降解合金的临床应用条件多样，现有成分的锌合金很难综合满足这些条件，强大的临床应用需求推动着研究者不断寻找新型合金添加元素。稀土元素被称为“工业黄金”，能够与其它元素相互作用形成性质独特的材料，被广泛应用于军事、新材料、航空航天等领域。稀土元素本身具有独特的电子云轨道，电子层结构除了La为5d¹6s²、Ce为4f¹5d¹6s²、Gd为4f⁷5d¹6s²、Lu为4f¹⁴5d¹6s²外，其余大多为4f^x6s²(x＝3～7、9～14)构型，稀土元素在形成化合物时最外层的f电子、次外层的d电子均可参与成键。另外，外数第三层中部分4f电子也可参与成键。能级相近使得稀土元素在与其它元素化合时会产生一些特殊的结果，如特殊的金属间化合物NdZn₁₁、SmZn_11～12等，而这些效果是其他掺杂元素所达不到的。这些金属间化合物弥散在晶间可以起到强化作用。