專利名稱：生物醫用可控降解CaZn基非晶合金的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物醫用的可降解合金，具體地說，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”)及其應用，屬于生物醫用領域。
背景技術：
可降解類生物醫用材料能夠避免長期植入醫用器件帶來的不便和危險，以及減少二次手術帶來的經濟損失和人身傷害，是生物醫用材料發展的重要方向之一。目前已研究開發的聚合物和陶瓷材料由于其力學性能方面的缺陷，刺激了金屬材料的生物醫用嘗試。近十年，鎂合金在可降解生物醫用材料領域取得了一系列的重要進展，目前已推進到臨床試驗階段。鎂的同族元素Ca，是骨無機質的主要元素，在人體中的質量份數約為1.5%，是人體中含量最豐富的金屬元素。開發可降解類Ca合金，除實現短期植入的目的外，還可以 為骨組織的修復提供必需的原料，促進組織的新生。然而，遺憾的是，其高度活潑性限制了Ca及其常規合金在體內復雜環境中的直接使用。非晶合金在結構上呈現出高度無序的狀態，由于其處于亞穩態，可以突破平衡態固溶度的限制，獲得均勻的單相結構，同時無序結構使非晶合金具有優于晶體的一些特性，如高強度、良好的彈性(彈性極限約2%，而一般晶態金屬為0. 2%左右)、耐腐蝕、抗輻照、耐疲勞、耐磨損以及在過冷液相區內優異的加工能力等。從1960年Duwez等人采用熔體快速冷卻的方法制備出非晶態的Au-Si合金開始，非晶合金一直活躍在材料物理的前沿領域，尤其是20世紀80年代末日本東北大學金屬研究所用電弧爐制備出直徑達到毫米甚至厘米尺寸的非晶態合金樣品，將非晶合金的研究推向另一個高潮。非晶合金其臨界尺寸達到幾個厘米量級，冷卻速率僅為幾K/s，為大塊非晶的大規模制備及應用提供可能。另外，非晶合金加熱到玻璃化轉變溫度(Tg)以上及晶化溫度(Tx)以下，存在一個發生軟化但不晶化的溫度區，稱為過冷液相區(SLR)。一般用T = Tx-Tg大小表征過冷液相區，過冷液相區成型對于非晶態合金加工成生物醫用器件有重要意義。Zn，作為一種廉價的常規過渡族金屬，因為其優良的抗氧化性而被用作防腐涂層，同時也是生物體必需的元素之一。若能成功開發CaZn基非晶合金將有望突破Ca合金降解速率過高的瓶頸，將其運用到生物醫用材料領域。發展CaZn基非晶合金既具有廣闊的潛在應用前景又有利于我國提高知識產權的自主創新能力。

發明內容
本發明的一個目的是提供一種生物醫用可控降解CaZn基非晶合金，本發明的另一個目的是提供一種制備生物醫用可控降解CaZn基非晶合金的方法，本發明的再一個目的是提供一種生物醫用可控降解CaZn基非晶合金在生物醫用領域的應用。本發明的目的是通過以下技術方案實現的—方面，本發明提供了一種生物醫用可控降解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，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Ca、Yb、Sr原子總數的50%，CiuAg為Zn的替換元素，其各自的替代 范圍均不能超過Zn、Cu、Ag原子總數的50%，Li、Sn為Mg的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過Mg、Li、Sn原子總數的50%，關于元素的選擇以及原子百分比具體范圍的確定參見圖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。進ー步，通過計算熱焓可知，所述合金包含不少于50%體積百分比的非晶相。進ー步，所述合金為塊狀、條帶狀或粉末狀。另ー方面，本發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。進ー步,在步驟I)中，所述原料還包括Yb、Sr、Cu、Ag、Li、Sn和X,優選地,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。更進ー步，所述原料的物質的量之比為(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，放進高頻感應爐，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氣體，用高頻線圈小電流加熱至熔化，當電磁攪拌均勻后，噴鑄到銅模具中，即得CaZn基非晶合金。進ー步，所述步驟3)還包括將步驟2)所得物噴到旋轉的銅輪上，即可得到條帶狀CaZn基非晶合金,通過球磨后可得到粉末狀CaZn基非晶合金。再一方面本發明還提供了所述CaZn基非晶合金在生物醫用材料領域的應用，優選地，所述應用包括藥物輸運載體和磁共振成像領域，更優選地，所述應用包括制備血管支架、骨組織替代或修復材料以及組織工程支架材料。本發明提供的生物醫用可控降解CaZn基非晶合金與現有技術的生物醫用材料相比，其有益之處在于
I、由于Ca、Zn元素在人體中含量豐富，且價格低廉，使得制成的CaZn基非晶合金的成本很低，同時降解產物也可以通過吸收促進骨組織的新生；2、該CaZn基非晶合金，能突破平衡態固溶度的限制，獲得結構均勻的非晶態，同時所需臨界冷卻速率低，抗氧化能力強，形成非晶的能力及抑制結晶的能力很強，易于形成大尺寸均勻結構的非晶合金，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單，成本低廉；4、該CaZn基非晶合金相對多晶態合金，結構均勻，可實現均勻腐蝕，同時非晶態結構以及高的Zn固溶度使其具有好的抗腐蝕性，從而保證了長 期的力學穩定性；5、該CaZn基非晶合金具有高的強度、彈性應變量以及高的耐摩擦系數和低的彈性模量，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，能夠解決傳統的不銹鋼、鈦合金不匹配的問題；6、通過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，可調整CaZn基非晶合金的腐蝕速率、強度及模量，以滿足不同組織環境的需要。
以下結合附圖
來詳細說明本發明的實施方案，其中圖I是本發明CaZn基非晶合金元素組成和成分范圍圖；圖2是本發明實施例1-3制備的CaZn基非晶合金X射線衍射(XRD)圖，其中，(a)是本發明實施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的XRD圖，(b)是本發明實施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的XRD圖，(c)是本發明實施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18 的 XRD 圖；圖3是本發明實施例1-3制備的CaZn基非晶合金差熱分析(DSC)曲線圖，其中，(a)是本發明實施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的DSC曲線圖，其升溫速率為20K/min, (b)是本發明實施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的DSC曲線圖，其升溫速率均為20K/min，(c)是本發明實施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的DSC曲線圖，其升溫速率為20K/min ；圖4是本發明實施例1-3制備的CaZn基非晶合金壓縮應力-應變曲線圖，其中，(a)是本發明實施例I的CaZn基非晶合金Ca6tlZn15Mg2tlSr5的壓縮應力-應變曲線圖，(b)是本發明實施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn2tlMg25Sr2tl的壓縮應力-應變曲線圖，(c)是本發明實施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的壓縮應力-應變曲線圖。
具體實施例方式下面結合具體實施方式
對本發明進行進一步的詳細描述，給出的實施例僅為了闡明本發明，而不是為了限制本發明的范圍。所用金屬原材料均購自北京翠鉬林有色金屬技術開發中心，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合開發的設備，型號為kyky FD-1200K ;X射線衍射分析采用的設備為MAC M03衍射儀；熱分析所用設備為Mettler Toledo DSC822e ;壓縮實驗在Instron 5500R1186設備上完成測試。
實施例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；若噴到旋轉的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學性能，可在生物體液環境中能降解吸收。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，其玻璃化轉變溫度(Tg)和晶化開始溫度(Tx)分別為96。。和129で。如圖4(a)所示，從該合金的壓縮應力-應變曲線圖可以看出，該合金斷裂強度為 595兆帕。實施例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；若噴到旋轉的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學性能，可在生物體液環境中降解吸收。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，其玻璃化轉變溫度(Tg)和晶化開始溫度(Tx)分別為109°C和159°C。
如圖4(b)所示，從該合金的壓縮應力-應變曲線圖可以看出，該合金斷裂強度為605兆帕。實施例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；若噴到旋轉的銅輪上，即可得到非晶條帶，通過球磨后可得到粉末。該材料具有良好的生物相容性和力學性能，可在生物體液環境中降解吸收。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，其玻璃化轉變溫度(Tg)和晶化開始溫度(Tx)分別為118°C和166で。如圖4(c)所示，從該合金的壓縮應力-應變曲線圖可以看出，該合金斷裂強度為607兆帕。實施例4 52 :其它配比的CaZn基非晶合金的制備參照實施例I 3的方法，制備出各種配比的CaZn基非晶合金，其組成和性能參數列于表I中。
表I CaZn基非晶合金的組成和熱物性參數
權利要求
1.一種生物醫用可控降解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 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，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Ca、Yb、Sr原子總數的50%，CiuAg為Zn的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過Zn、Cu、Ag原子總數的50%，Li、Sn為Mg的替換元素，其各自的替代范圍均不能超過Mg、Li、Sn原子總數的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.根據權利要求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.根據權利要求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。
4.一種制備根據權利要求1-3中任一項所述合金的方法，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.根據權利要求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.根據權利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述原料的物質的量之比為(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.根據權利要求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.根據權利要求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，放進高頻感應爐，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氣體，用高頻線圈小電流加熱至熔化，當電磁攪拌均勻后，噴鑄到銅模具中，即得CaZn基非晶合金。
9.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟3)還包括將步驟2)所得物噴到旋轉的銅輪上，即可得到條帶狀CaZn基非晶合金，通過球磨后可得到粉末狀CaZn基非晶I=I -Wl O
10.根據權利要求1-3中任一項所述合金在生物醫用領域的應用，優選地，所述應用包括藥物輸運載體和磁共振成像領域，更優選地，所述應用包括制備血管支架、骨組織替代或修復材料以及組織工程支架材料。
全文摘要
本發明涉及一種生物醫用的可降解合金，具體地說是涉及一種以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。該合金通過改變Ca和Zn的原子百分比及添加微合金化元素，調整其力學性能、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或短期的植入器件，如血管支架、骨組織替代或修復材料以及組織工程的支架材料。
文檔編號A61L27/04GK102766829SQ20111011275
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者汪衛華, 焦維, 趙德乾, 趙昆 申請人:中國科學院物理研究所