[发明专利]一种生物可降解Mg-Zn-Ca-Re合金

说明书

本发明涉及生物医用金属材料制备技术领域，具体的说，是设计和制备了一种镁‑锌‑钙‑(稀土)的可降解镁合金材料。该合金由以下质量百分比的组分组成：Zn：1.5％～2.5％、Ca：0.2％～0.3％、Re0.2％～0.4％，其余为镁和极少量杂质；所述Re为Sc和/或Sm。所述镁合金通过较低温度的挤压变形获得了超细的个位数微米级晶粒，以此获得了良好的耐蚀性和高的强度或塑性。所述较低温度的挤压变形时，控制挤压温度为275～290℃。本发明成功在较低温度下(275～290℃)挤压出性能优异且表面质量良好的板带材，降低了挤压成本且便于工业化应用。

技术领域

本发明涉及生物医用金属材料制备技术领域，具体的说，是设计和制备了一种镁-锌-钙-(稀土)的可降解镁合金材料。

背景技术

镁合金具有良好的生物相容性，是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素之一，能够激活多种酶，参与体内一系列新陈代谢过程，在生物医用可降解金属材料中具有很大的应用前景。

但镁的塑性成型性较差易导致加工困难，作为临时性植入材料腐蚀降解速率较快不能支撑到组织愈合，因此有必要对其进行合金化和热变形进一步提高其综合性能。结合我国镁、稀土等资源丰富的优势，选取人体具有的营养元素和具有很好强化效果的稀土元素对镁进行微合金化可以在保持合金的生物相容性的基础上提高合金的综合性能。其中稀土元素通过净化溶体、析出稳定的弥散相提高了合金的力学强度和耐蚀性。挤压是镁合金中最常见的变形加工方式，其三向压应力最为强烈，可以最大限度的发挥合金的塑性变形能力，进一步细化合金组织、减少铸造合金缺陷，提升合金性能。

目前，开发的生物医用镁合金主要集中在Mg-Al、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Sr、Mg-Si、Mg-Zr、Mg-Li、Mg-RE系列合金。

其中，Al元素主要通过在合金表面形成致密的Al₂O₃膜来提高镁合金的耐蚀性，并且铝在镁中具有较好的强化效果，可以有效提高合金的力学性能。然而，铝元素已被证实具有神经毒性，不适于应用于人类生物医用材料。Zn元素是人体的营养元素，在材料学方面主要起到固溶强化提高合金塑性的作用。微量碱土金属元素(Ca、Sr等)的添加不仅能增加合金的生物相容性，还能提高合金的热稳定性，减少铸造合金枝晶的生成，细化晶粒，提高合金强度。Si元素易与Mg产生熔化温度、硬度较高，密度、热膨胀系数较低的Mg₂Si金属间化合物，有效强化镁合金。但该相易引起强烈的电偶腐蚀。Zr在镁中主要作为晶粒细化剂，但Ca的添加也能较好的替代Zr达到细化晶粒的作用。Li元素的添加能改变合金的结构，Li和Zn的联合添加课题较好的提高镁合金的屈服强度、极限抗拉强度和延伸率。

稀土元素通常作为镁的合金化元素，可以提高镁合金的高温强度和抗蠕变性能。其中Y、Ce、La和Nd是镁-稀土合金中最常用的稀土元素。但轻稀土元素Ce、La等具有较大的细胞毒性，重稀土元素Y等易在脑中聚集，作为生物医用材料易加重稀有元素对人体的伤害。轻稀土元素的少量添加不会显著增加稀土的密度，还能保持合金良好的生物相容性。其中稀土元素Sc以及轻稀土元素Sm、Nd的生物相容性较好，在镁中的固溶度较大，具有很好的强化效果。

中国发明专利申请《生物可降解镁合金及其制备方法》，其专利申请号为202010068093.7，其公开了一种生物可降解Mg-Zn-Y-Nd-Ca系镁合金，包括如下组分及其重量百分比：Zn0.5％，Y3.2～4.5％，Nd2.0～3.0％，Ca≤0.6％，余量为Mg，杂质含量≤0.05％。，该专利中将镁合金熔铸后进行了、退火、T6热处理，使其抗拉强度达到206～231MPa，硬度为42～47，但并没有进一步研究合金的变形加工情况。且上述专利中的稀土含量超过了5.2％高，经济成本较高。