[发明专利]一种医用镁基复合材料棒材及其制备方法

说明书

本发明公开了一种医用镁基复合材料棒材及其制备方法，通过原位液相冶金方法制备Mg₂Si增强镁基复合材料，将复合材料加热至半固态区间保温后淬火得到半固态组织坯料，细化初生或共晶Mg₂Si颗粒，使其球化，并将第二相固溶进基体；然后对坯料加热，进行热挤压获得优异力学性能与可控降解速率的镁基复合材料棒材。本发明通过半固态处理提高了复合材料的塑性变形能力，大幅提高后续工艺的成品率以及生产的工艺稳定性；通过调控半固态参数和热挤压变形条件可以灵活、精准地调控医用镁基复合材料棒材的力学性能和生物降解速率，更加安全可靠、高效地控制材料在体液中的降解。

技术领域

本发明属于医用镁基材料制备技术领域，具体涉及一种医用镁基复合材料棒材及其制备方法。

背景技术

目前，临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钛合金与锌合金等。但这些材料存在密度高、难以降解等问题，作为医用植入器械需要二次手术取出增加了患者的痛苦与经济负担，而且以上金属材料的力学性能相较骨组织很高，容易产生应力遮挡效应，是周围骨组织受到应力刺激，愈合不完整。镁元素是人体不可缺少的营养元素，密度约为1.74g/cm³，与人骨密度1.75g/cm³非常接近；此外，镁合金的弹性模量约为45GPa，也与人体骨组织相似，作为植入材料可以有效减小应力，且在人体组织愈合过程中在体液内逐渐降解，降解产生的Mg离子可参与新陈代谢排出体外或者直接被周围组织吸收。可见，镁合金作为医用植入器械如骨钉、血管内支架等，具有可降解、力学性能匹配、生物安全性好等优点，在医用领域具有广阔的应用前景。

但是，医用镁合金在应用过程中还存在降解速率过快、持久力学性能不佳的难题。目前，改善镁合金力学性能较好的办法就是在镁合金内加入高硬度、高模量的硬质相颗粒，得到颗粒增强镁基复合材料。Mg₂Si金属间化合物颗粒具有高模量(120GPa)、高熔点(1085℃)、低热膨胀系数以及与镁合金具有接近的密度(1.99g/cm³)而成为镁合金中常用的增强颗粒。Mg₂Si颗粒可通过液相冶金方法在镁合金熔体中原位形成，即在镁合金熔体中加入一定量的Si源，在凝固过程中与Mg反应形成Mg₂Si硬质相；具有颗粒分散性良好、化学稳定性高、硬质相与基体结合良好和制备工艺简单等优点。但是，形成的初生Mg₂Si颗粒尺寸较大，并呈树枝状，共晶Mg₂Si呈汉字状，尽管复合材料的强度提高，但是塑性下降，后续的塑性成形困难，成品率低。

此外，医用镁合金植入后降解速率过快导致服役期间器件完整性遭到破坏，且短时间产生大量的气泡造成周围组织鼓包坏死。通过对公开的文献调研发现，细化晶粒可以提高镁合金材料的耐蚀性，进而调控植入镁合金的降解速率。塑性加工可以细化晶粒效果显著，大幅提高力学性能的同时降低其降解速率。由于Mg₂Si颗粒尺寸粗大的问题导致热加工(如挤压、轧制和锻造等)时变形困难，特别是脆性Mg₂Si枝晶断裂形成大量的裂纹，导致产品成品率低下，残余的裂纹使服役力学性能和耐蚀性降低。通过细化Mg₂Si颗粒尺寸可以提高医用Mg₂Si/Mg复合材料加工成形性和降解速率。目前，有大量改善Mg₂Si增强颗粒形貌和尺寸的方法，如高能超声处理、添加微量合金元素等，但其工艺复杂、需要高附加值的设备，尤其加入的合金元素对身体有害。

如何改善医用镁基植入材料的力学性能和耐蚀性以及降解速率等问题成了现阶段镁合金材料作为生物医用材料广泛使用的研究热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种医用镁基复合材料棒材及其制备方法，改善医用颗粒增强镁基复合材料增强相尺寸和形貌，提高塑性变形能力，通过热加工获得优异的力学性能和可控的降解速率的镁基复合材料，可用于医用植入器械如骨钉、血管内支架等。

本发明采用以下技术方案：