專利名稱：生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用的可降解合金，具體地說(shuō)，涉及一種以CaZn為主要成分，且包含至少50%的非晶相(體積百分比)的CaZn基非晶合金(也稱“金屬玻璃”或“金屬塑料”)及其應(yīng)用，屬于生物醫(yī)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可降解類生物醫(yī)用材料能夠避免長(zhǎng)期植入醫(yī)用器件帶來(lái)的不便和危險(xiǎn)，以及減少二次手術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害，是生物醫(yī)用材料發(fā)展的重要方向之一。目前已研究開(kāi)發(fā)的聚合物和陶瓷材料由于其力學(xué)性能方面的缺陷，刺激了金屬材料的生物醫(yī)用嘗試。近十年，鎂合金在可降解生物醫(yī)用材料領(lǐng)域取得了一系列的重要進(jìn)展，目前已推進(jìn)到臨床試驗(yàn)階段。鎂的同族元素Ca，是骨無(wú)機(jī)質(zhì)的主要元素，在人體中的質(zhì)量份數(shù)約為1.5%，是人體中含量最豐富的金屬元素。開(kāi)發(fā)可降解類Ca合金，除實(shí)現(xiàn)短期植入的目的外，還可以 為骨組織的修復(fù)提供必需的原料，促進(jìn)組織的新生。然而，遺憾的是，其高度活潑性限制了Ca及其常規(guī)合金在體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中的直接使用。非晶合金在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出高度無(wú)序的狀態(tài)，由于其處于亞穩(wěn)態(tài)，可以突破平衡態(tài)固溶度的限制，獲得均勻的單相結(jié)構(gòu)，同時(shí)無(wú)序結(jié)構(gòu)使非晶合金具有優(yōu)于晶體的一些特性，如高強(qiáng)度、良好的彈性(彈性極限約2%，而一般晶態(tài)金屬為0. 2%左右)、耐腐蝕、抗輻照、耐疲勞、耐磨損以及在過(guò)冷液相區(qū)內(nèi)優(yōu)異的加工能力等。從1960年Duwez等人采用熔體快速冷卻的方法制備出非晶態(tài)的Au-Si合金開(kāi)始，非晶合金一直活躍在材料物理的前沿領(lǐng)域，尤其是20世紀(jì)80年代末日本東北大學(xué)金屬研究所用電弧爐制備出直徑達(dá)到毫米甚至厘米尺寸的非晶態(tài)合金樣品，將非晶合金的研究推向另一個(gè)高潮。非晶合金其臨界尺寸達(dá)到幾個(gè)厘米量級(jí)，冷卻速率僅為幾K/s，為大塊非晶的大規(guī)模制備及應(yīng)用提供可能。另外，非晶合金加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上及晶化溫度(Tx)以下，存在一個(gè)發(fā)生軟化但不晶化的溫度區(qū)，稱為過(guò)冷液相區(qū)(SLR)。一般用T = Tx-Tg大小表征過(guò)冷液相區(qū)，過(guò)冷液相區(qū)成型對(duì)于非晶態(tài)合金加工成生物醫(yī)用器件有重要意義。Zn，作為一種廉價(jià)的常規(guī)過(guò)渡族金屬，因?yàn)槠鋬?yōu)良的抗氧化性而被用作防腐涂層，同時(shí)也是生物體必需的元素之一。若能成功開(kāi)發(fā)CaZn基非晶合金將有望突破Ca合金降解速率過(guò)高的瓶頸，將其運(yùn)用到生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。發(fā)展CaZn基非晶合金既具有廣闊的潛在應(yīng)用前景又有利于我國(guó)提高知識(shí)產(chǎn)權(quán)的自主創(chuàng)新能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金，本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制備生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金的方法，本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的—方面，本發(fā)明提供了一種生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金，其主要成分為Ca和 Zn，其組成表示為以下通式(CaaYbbSi^ (ZndCueAgf) (MggLihSni)Xj,其中，下標(biāo)a、b、C、d、e、f、g、h、i、j 分別表示 Ca、Yb、Sr、Zn、Cu、Ag、Mg、Li、Sn 和 X 各元
素的原子數(shù)，40《(a+b+c)《70、(^^^0.5把<0.5、15《(d+e+f)《50、
0<<0.5、0< IT^T <0.5、10 ^ (g+h+i) ^ 30、0< JTm <0.5、
0< g+h+i <0.5、 彡 j 彡 10 且 a+b+c+d+e+f+h+i+j = 100,這里 Yb、Sr 為 Ca 的替換
元素，其各自的替代范圍均不能超過(guò)Ca、Yb、Sr原子總數(shù)的50%，CiuAg為Zn的替換元素，其各自的替代 范圍均不能超過(guò)Zn、Cu、Ag原子總數(shù)的50%，Li、Sn為Mg的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過(guò)Mg、Li、Sn原子總數(shù)的50%，關(guān)于元素的選擇以及原子百分比具體范圍的確定參見(jiàn)圖I所示；元素X 為微合金化元素，其為選自 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、
Ga、Ni、Al中的ー種或幾種元素的組合。進(jìn)ー步，通過(guò)計(jì)算熱焓可知，所述合金包含不少于50%體積百分比的非晶相。進(jìn)ー步，所述合金為塊狀、條帶狀或粉末狀。另ー方面，本發(fā)明還提供了制備所述CaZn基非晶合金的方法，其包括如下步驟I)稱取原料 Ca、Zn 和 Mg ；2)將步驟I)配好的原料混合，在真空中及氬氣保護(hù)下，加熱至熔化，攪拌均勻；3)將步驟2)所得物噴鑄到銅模具中，即得到塊狀CaZn基非晶合金。進(jìn)ー步,在步驟I)中，所述原料還包括Yb、Sr、Cu、Ag、Li、Sn和X,優(yōu)選地,所述元素 X 為選自 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al 中的ー種或幾種元
素的組合。更進(jìn)ー步，所述原料的物質(zhì)的量之比為(CaaYbbSr。)(ZndCueAgf) (MggLihSni)Xj 通式中的原子比，其中，40 く (a+b+c) ^ 70, o<<0.5 ,0<<0.5、
15 ^ (d+e+f) ^ 50、0<<0.5, 0<^T7<0.5, 10 ^ (g+h+i) ^ 30、
0<<0.5,0<<0.5 , 0 ^ j 彡 10 且 a+b+c+d+e+f+h+i+j = 100。更進(jìn)一歩，所述原料中Ca和Sr的純度不低于99wt%，其余各元素的純度均不低于99. 9wt % o進(jìn)ー步，所述步驟2)包括將配好的原料混合放入封底的石英管中，放進(jìn)高頻感應(yīng)爐，用真空泵抽真空至5.0X10_4Pa以上，然后充入適量的高純氬氣做保護(hù)氣體，用高頻線圈小電流加熱至熔化，當(dāng)電磁攪拌均勻后，噴鑄到銅模具中，即得CaZn基非晶合金。進(jìn)ー步，所述步驟3)還包括將步驟2)所得物噴到旋轉(zhuǎn)的銅輪上，即可得到條帶狀CaZn基非晶合金,通過(guò)球磨后可得到粉末狀CaZn基非晶合金。再一方面本發(fā)明還提供了所述CaZn基非晶合金在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用，優(yōu)選地，所述應(yīng)用包括藥物輸運(yùn)載體和磁共振成像領(lǐng)域，更優(yōu)選地，所述應(yīng)用包括制備血管支架、骨組織替代或修復(fù)材料以及組織工程支架材料。本發(fā)明提供的生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金與現(xiàn)有技術(shù)的生物醫(yī)用材料相比，其有益之處在于
I、由于Ca、Zn元素在人體中含量豐富，且價(jià)格低廉，使得制成的CaZn基非晶合金的成本很低，同時(shí)降解產(chǎn)物也可以通過(guò)吸收促進(jìn)骨組織的新生；2、該CaZn基非晶合金，能突破平衡態(tài)固溶度的限制，獲得結(jié)構(gòu)均勻的非晶態(tài)，同時(shí)所需臨界冷卻速率低，抗氧化能力強(qiáng)，形成非晶的能力及抑制結(jié)晶的能力很強(qiáng)，易于形成大尺寸均勻結(jié)構(gòu)的非晶合金，很容易就做成直徑在2毫米以上的非晶合金；3、該CaZn基非晶合金的制備エ藝簡(jiǎn)單，成本低廉；4、該CaZn基非晶合金相對(duì)多晶態(tài)合金，結(jié)構(gòu)均勻，可實(shí)現(xiàn)均勻腐蝕，同時(shí)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)以及高的Zn固溶度使其具有好的抗腐蝕性，從而保證了長(zhǎng) 期的力學(xué)穩(wěn)定性；5、該CaZn基非晶合金具有高的強(qiáng)度、彈性應(yīng)變量以及高的耐摩擦系數(shù)和低的彈性模量，使得CaZn基非晶合金有望被作為ー種生物材料而被應(yīng)用，另外CaZn基非晶合金具有低的磁化率，可與磁共振成像很好的兼容，能夠解決傳統(tǒng)的不銹鋼、鈦合金不匹配的問(wèn)題；6、通過(guò)CaZn原子百分比的改變、相似元素的替換以及微合金元素的加入，可調(diào)整CaZn基非晶合金的腐蝕速率、強(qiáng)度及模量，以滿足不同組織環(huán)境的需要。
以下結(jié)合附圖
來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方案，其中圖I是本發(fā)明CaZn基非晶合金元素組成和成分范圍圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1-3制備的CaZn基非晶合金X射線衍射(XRD)圖，其中，(a)是本發(fā)明實(shí)施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的XRD圖，(b)是本發(fā)明實(shí)施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的XRD圖，(c)是本發(fā)明實(shí)施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18 的 XRD 圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例1-3制備的CaZn基非晶合金差熱分析(DSC)曲線圖，其中，(a)是本發(fā)明實(shí)施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的DSC曲線圖，其升溫速率為20K/min, (b)是本發(fā)明實(shí)施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的DSC曲線圖，其升溫速率均為20K/min，(c)是本發(fā)明實(shí)施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的DSC曲線圖，其升溫速率為20K/min ；圖4是本發(fā)明實(shí)施例1-3制備的CaZn基非晶合金壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中，(a)是本發(fā)明實(shí)施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，(b)是本發(fā)明實(shí)施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，(c)是本發(fā)明實(shí)施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，給出的實(shí)施例僅為了闡明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。所用金屬原材料均購(gòu)自北京翠鉬林有色金屬技術(shù)開(kāi)發(fā)中心，其中Ca、Sr的純度不低于99wt%，其余原料純度不低于99. 9wt% ;非晶合金制備采用物理所與物科光電聯(lián)合開(kāi)發(fā)的設(shè)備，型號(hào)為kyky FD-1200K ;X射線衍射分析采用的設(shè)備為MAC M03衍射儀；熱分析所用設(shè)備為Mettler Toledo DSC822e ;壓縮實(shí)驗(yàn)在Instron 5500R1186設(shè)備上完成測(cè)試。
實(shí)施例I :CaZn基非晶合金CapZn1^Mg=Sr5的制備將純度不低于99wt%的Ca、Sr原料與純度不低于99. 9wt% Zn、Mg原料四種組分按摩爾比為60 15 20 5的比例配好后，將原材料放在石英管中并置于高頻感應(yīng)爐。用真空泵抽真空至5.0X10_4Pa以上，充入適量的高純氬氣后，用高頻線圈小電流加熱至熔化。用電磁攪拌均勻，噴鑄到用液氮冷卻的銅模具中，即得到成分為Ca6tlZn15Mg2tlSr5、直徑為5mm的塊體非晶合金；若噴到旋轉(zhuǎn)的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過(guò)球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，可在生物體液環(huán)境中能降解吸收。如圖2(a)所示，從該合金的XRD圖中可以看出，該合金是完全的非晶態(tài)合金。如圖3(a)所示，從該合金的DSC圖中可以看出，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和晶化開(kāi)始溫度(Tx)分別為96。。和129で。如圖4(a)所示，從該合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出，該合金斷裂強(qiáng)度為 595兆帕。實(shí)施例2 CaZn基非晶合金Ca=Zn=MgtSr^的制備將純度不低于99wt%的Ca、Sr原料與純度不低于99. 9wt% Zn、Mg原料四種組分按摩爾比為35 20 25 20的比例配好后，將原材料放在石英管中并置于高頻感應(yīng)爐。用真空泵抽真空至5.0X10_4Pa以上，充入適量的高純氬氣后，用高頻線圈小電流加熱至熔化。用電磁攪拌均勻，噴鑄到用液氮冷卻的銅模具中，即得到成分為Ca35Zn2tlMg25Sr2tl、直徑為2mm的塊體非晶合金；若噴到旋轉(zhuǎn)的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過(guò)球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，可在生物體液環(huán)境中降解吸收。如圖2(b)所示，從該合金的XRD圖中可以看出，該合金是完全的非晶態(tài)合金。如圖3(b)所示，從該合金的DSC圖中可以看出，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和晶化開(kāi)始溫度(Tx)分別為109°C和159°C。
如圖4(b)所示，從該合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出，該合金斷裂強(qiáng)度為605兆帕。實(shí)施例3 CaZn基非晶合金CaiZr^MgせSrlji的制備將純度不低于99wt%的Ca、Sr原料與純度不低于99. 9wt% Zn、Mg原料四種組分按摩爾比為32 34 16 18的比例配好后，將原材料放在石英管中并置于高頻感應(yīng)爐。用真空泵抽真空至5.0X10_4Pa以上，充入適量的高純氬氣后，用高頻線圈小電流加熱至熔化。用電磁攪拌均勻，噴鑄到用液氮冷卻的銅模具中，即得到成分為Ca32Zn34Mg16Sr18的塊體非晶合金；若噴到旋轉(zhuǎn)的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過(guò)球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能，可在生物體液環(huán)境中降解吸收。如圖2(c)所示，從該合金的XRD圖中可以看出，該合金是完全的非晶態(tài)合金。如圖3(c)所示，從該合金的DSC圖中可以看出，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)和晶化開(kāi)始溫度(Tx)分別為118°C和166で。如圖4(c)所示，從該合金的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖可以看出，該合金斷裂強(qiáng)度為607兆帕。實(shí)施例4 52 :其它配比的CaZn基非晶合金的制備參照實(shí)施例I 3的方法，制備出各種配比的CaZn基非晶合金，其組成和性能參數(shù)列于表I中。
表I CaZn基非晶合金的組成和熱物性參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種生物醫(yī)用可控降解CaZn基非晶合金，其特征在于，所述合金的主要成分為Ca和Zn，其組成表示為以下通式CaJbbSrc) (ZndCueAgf) (MggLihSni) Xj，其中， 下標(biāo) a、b、c、d、e、f、g、h、i、j 分別表示 Ca、Yb、Sr、Zn、Cu、Ag、Mg、Li、Sn 和 X 各元素的原子數(shù)，40 ( (a+b+c) ( 70,0<^|^<0.5,0<<0.5、15 ( (d+e+f) ( 50、0< -d^W <0.5、0< ~d^f <0.5、10 ^ (g+h+i) ^ 30、0< -^hM <0.5、0< g+h+i <0.5、 彡 j 彡 10 且 a+b+c+d+e+f+h+i+j = 100,這里 Yb、Sr 為 Ca 的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過(guò)Ca、Yb、Sr原子總數(shù)的50%，CiuAg為Zn的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過(guò)Zn、Cu、Ag原子總數(shù)的50%，Li、Sn為Mg的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過(guò)Mg、Li、Sn原子總數(shù)的50% ； 元素 X 為選自 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al 中的一種或幾種元素的組合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的合金，其特征在于，所述合金包含不少于50%體積百分比的非晶相。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的合金，其特征在于，所述合金為塊狀、條帶狀或粉末狀。
4.一種制備根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟 1)稱取原料Ca、Zn和Mg； 2)將步驟I)配好的原料混合，在真空中及氬氣保護(hù)下，加熱至熔化，攪拌均勻； 3)將步驟2)所得物噴鑄到銅模具中，即得到塊狀CaZn基非晶合金。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在步驟I)中，所述原料還包括Yb、Sr、Cu、Ag、Li、Sn 和 X，優(yōu)選地，所述元素 X 為選自 La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al中的一種或幾種元素的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述原料的物質(zhì)的量之比為(CaaYbbSre) (ZndCueAgf) (MggLihSni)Xj 通式中的原子比，其中，4O 彡(a+b+c) ( 70,0<<0.5、 0<<0.5、15 ( (d+e + f) ( 50、 0< <0.5,0<^7<0.5,10 ( (g+h+i) ( 30、o<^r<o.5,o<^fcr<o.5,° ^ j ^ 10a+b+c+d+e+f+h+i+j = 100o
7.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述原料中Ca和Sr的純度不低于99wt %，其余各元素的純度均不低于99. 9wt %。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟2)包括“將配好的原料混合放入封底的石英管中，放進(jìn)高頻感應(yīng)爐，用真空泵抽真空至5. OX 10_4Pa以上，然后充入適量的高純氬氣做保護(hù)氣體，用高頻線圈小電流加熱至熔化，當(dāng)電磁攪拌均勻后，噴鑄到銅模具中，即得CaZn基非晶合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括將步驟2)所得物噴到旋轉(zhuǎn)的銅輪上，即可得到條帶狀CaZn基非晶合金，通過(guò)球磨后可得到粉末狀CaZn基非晶I=I -Wl O
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用，優(yōu)選地，所述應(yīng)用包括藥物輸運(yùn)載體和磁共振成像領(lǐng)域，更優(yōu)選地，所述應(yīng)用包括制備血管支架、骨組織替代或修復(fù)材料以及組織工程支架材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用的可降解合金，具體地說(shuō)是涉及一種以Ca和Zn為主要成分，添加了適量微合金化元素，且包含至少50％的非晶相(體積百分比)的CaZn基非晶合金。該合金通過(guò)改變Ca和Zn的原子百分比及添加微合金化元素，調(diào)整其力學(xué)性能、腐蝕速度及生物相容性，以滿足植入組織的不同需求。這種合金可用于制備暫時(shí)或短期的植入器件，如血管支架、骨組織替代或修復(fù)材料以及組織工程的支架材料。
文檔編號(hào)A61L27/04GK102766829SQ20111011275
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者汪衛(wèi)華, 焦維, 趙德乾, 趙昆 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所