[发明专利]一种Mg-Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Mg‑Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料及其制备方法，所述Mg‑Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料为非晶基体中均匀分散有纳米晶粒的复合结构材料，所述Mg‑Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料按原子百分比计，Zn含量为20至40 at.％，其余为Mg。针对现有晶体态Mg合金材料腐蚀速率过快、力学性能不足和降解不均匀的问题，本发明公开的具有非晶/纳米晶双相结构的Mg‑Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料中的纳米晶粒中产生的位错多，非晶能起到阻碍晶粒的位错和滑移的作用，可大大增强合金的性能，纳米晶粒均匀的分布在非晶基体中可以避免降解过程中的不均匀性，提高材料的耐蚀性。

技术领域

本发明公开了一种Mg-Zn非晶/纳米晶复合结构医用材料及其制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术

晶体态镁合金具有密度与人体自然骨的密度非常接近、比性能好以及良好的生物相容性等特点，晶体态镁合金植入物可以有效缓解因弹性模量不匹配而产生的“应力遮挡”效应。此外，由于晶体态镁合金有良好的生物可降解性能，相比于不锈钢和钛合金，避免了二次手术产生的痛苦和手术风险。但是晶体态镁合金在生理环境中降解速率过快，在组织还没有愈合的时候，其已经失去了必需的力学支撑效果，不能对损伤组织形成很好的固定和保护。同时由于晶体态镁合金晶粒粗大，不同晶粒之间易形成原电池腐蚀，导致晶体态镁合金降解不均匀，植入的晶体态镁合金构件易出现突然断裂的状况，致使治疗失败。因此，要实现镁合金在医学领域的应用，首先需要解决镁合金腐蚀过快、降解不均匀的问题。

非晶态合金具有结构及组成上的均一性，从而没有可导致局部腐蚀的晶界、断层以及堆垛层错等晶体缺陷，耐腐蚀性能较好。然而，非晶态合金在变形过程中呈现室温脆性及应变软化特征，塑性成形能力较差。此外，镁基合金的非晶形成能力较差，难以制备出大块非晶态合金，限制了镁基非晶态合金在生物医用领域的应用。

本发明人通过特定工艺，创造性地发明并制备出镁锌基非晶/纳米晶复合结构材料，通过特定工艺来设计非晶态合金和纳米晶在材料中的体积比例，以及纳米晶的尺寸大小，使本发明的复合结构的材料同时具备非晶态合金优异抗腐蚀性和纳米晶的塑性。此处要特别说明，本发明的非晶/纳米晶复合结构材料中的非晶和纳米晶的体积比例对该复合材料的性能起决定性作用。当所有纳米晶粒的晶界处均匀地充斥着非晶结构，也就是说纳米晶粒均匀的分布在非晶结构的内部时，该结构材料才可以具备骨科植入材料所需求的力学性能及降解特性。所以，设计制备出具有均匀的微观组织的非晶/纳米晶复合结构材料至关重要。纳米晶在非晶基体中析出的体积比例取决于特定制备的工艺参数。因此非晶/纳米晶复合结构材料的设计和制备过程极其复杂，对合金成份的选取和制备工艺参数的设计要求苛刻。例如在制备过程中，当冷却度过高，只能得到非晶态合金；冷却度过低时，将得到晶态合金；因此，需要对合金的成份和制备工艺进行优化设计，并严格控制所有制备工艺参数，才能获得具有非晶/纳米晶复合结构目标合金。

目前为止，世界上没有医用的非晶/纳米晶复合结构材料的相关研究报道，本发明的镁基非晶/纳米晶复合结构材料是骨科植入材料研究领域的重大突破。

发明内容

发明目的：为了克服上述晶体态镁合金腐蚀速度过快、降解不均匀和非晶态镁合金塑性成形能力较差而无法医用的问题，本发明通过一次甩带成形，在非晶态合金中析出纳米晶，获得纳米晶粒平均分布的平衡态非晶/纳米晶复合结构材料，来改善非晶态合金的韧性，提高合金材料的耐蚀性。通过对比各种对人体无毒的元素，并经过理论设计和大量的试验，最终选取镁和锌两种人体必需元素为原材料，在一定的成分区间内通过特定的技术参数制备出高性能的镁锌非晶/纳米晶复合结构材料，该材料非晶基体中纳米晶粒的体积占比为30～65％，有望作为植入材料应用于医学领域。

本发明的Mg-Zn非晶/纳米晶复合结构材料，晶粒外的非晶结构可以阻碍晶粒的滑移和位错，具有较高的强度。纳米晶具有均匀分布的结构特点，避免了降解过程中的不均匀问题。因为特殊的结构特点具有均匀的降解过程，较高的力学性能，弥补了镁合金降解速度过快的缺陷，是骨科植入材料研究领域的重大突破。