生物医用可控降解CaZn基非晶合金

摘要

本发明涉及一种生物医用的可降解合金，具体地说是涉及一种以Ca和Zn为主要成分，添加了适量微合金化元素，且包含至少50％的非晶相(体积百分比)的CaZn基非晶合金。该合金通过改变Ca和Zn的原子百分比及添加微合金化元素，调整其力学性能、腐蚀速度及生物相容性，以满足植入组织的不同需求。这种合金可用于制备暂时或短期的植入器件，如血管支架、骨组织替代或修复材料以及组织工程的支架材料。

权利要求

1.一种生物医用可控降解CaZn基非晶合金，其特征在于，所述合金的主要成分为Ca和Zn，其组成表示为以下通式： CaaYbbSrc)(ZndCueAgf)(MggLihSni)Xj，其中， 下标a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别表示Ca、Yb、Sr、Zn、Cu、Ag、Mg、Li、Sn和X各元素的原子数，30≤a≤43、40≤(a+b+c)≤70、

15≤d≤34、15≤(d+e+f)≤50、 10≤(g+h+i)≤30、

0≤j≤10且a+b+c+d+e+f+h+i+j=100，这里Yb、Sr为Ca的替换元素，其各自的替代范围均不能超过Ca、Yb、Sr原子总数的50%，Cu、Ag为Zn的替换元素，其各自的替代范围均不能超过Zn、Cu、Ag原子总数的50%，Li、Sn为Mg的替换元素，其各自的替代范围均不能超过Mg、Li、Sn原子总数的50%； 元素X为选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al中的一种或几种元素的组合。

2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述合金包含不少于50％体积百分比的非晶相。

3.根据权利要求1或2所述的合金，其特征在于，所述合金为块状、条带状或粉末状。

4.一种制备根据权利要求1-3中任一项所述合金的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1）称取原料Ca、Zn和Mg；

2）将步骤1）配好的原料混合，在真空中及氩气保护下，加热至熔化，搅拌均匀；

3）将步骤2）所得物喷铸到铜模具中，即得到块状CaZn基非晶合金。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤1）中，所述原料还包括Yb、Sr、Cu、Ag、Li、Sn和X。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述元素X选自La、 Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al中的一种或几种元素的组合。

7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述原料的物质的量之比为(CaaYbbSrc)(ZndCueAgf)(MggLihSni)Xj通式中的原子比，其中，40≤(a+b+c)≤70、

30 ≤ a ≤ 43 、 1 5 ≤ d ≤ 3 4 、

15≤ (d+e+f)≤50、 10≤ (g+h+i)≤ 30、

0≤j≤10且a+b+c+d+e+f+h+i+j=100。

8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述原料中Ca和Sr的纯度不低于

99wt%，其余各元素的纯度均不低于99.9wt%。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤2）包括“将配好的原料混合放-4入封底的石英管中，放进高频感应炉，用真空泵抽真空至5.0×10 Pa以上，然后充入适量的高纯氩气做保护气体，用高频线圈小电流加热至熔化，当电磁搅拌均匀后，喷铸到铜模具中，即得CaZn基非晶合金。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3）还包括：将步骤2）所得物喷到旋转的铜轮上，即可得到条带状CaZn基非晶合金，通过球磨后可得到粉末状CaZn基非晶合金。

11.根据权利要求1-3中任一项所述合金在生物医用领域的应用。

12.根据权利要求11所述的应用，其特征在于，所述应用包括：在药物输运载体和磁共振成像领域的应用。

13.根据权利要求11或12所述的应用，其特征在于，所述应用包括：在制备血管支架、骨组织替代或修复材料以及组织工程支架材料中的应用。

说明书

生物医用可控降解CaZn基非晶合金

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物医用的可降解合金，具体地说，涉及一种以CaZn为主要成分，且包含至少50％的非晶相(体积百分比)的CaZn基非晶合金(也称“金属玻璃”或“金属塑料”)及其应用，属于生物医用领域。

背景技术

[0002] 可降解类生物医用材料能够避免长期植入医用器件带来的不便和危险，以及减少二次手术带来的经济损失和人身伤害，是生物医用材料发展的重要方向之一。目前已研究开发的聚合物和陶瓷材料由于其力学性能方面的缺陷，刺激了金属材料的生物医用尝试。近十年，镁合金在可降解生物医用材料领域取得了一系列的重要进展，目前已推进到临床试验阶段。镁的同族元素Ca，是骨无机质的主要元素，在人体中的质量份数约为1.5％，是人体中含量最丰富的金属元素。开发可降解类Ca合金，除实现短期植入的目的外，还可以为骨组织的修复提供必需的原料，促进组织的新生。然而，遗憾的是，其高度活泼性限制了Ca及其常规合金在体内复杂环境中的直接使用。

[0003] 非晶合金在结构上呈现出高度无序的状态，由于其处于亚稳态，可以突破平衡态固溶度的限制，获得均匀的单相结构，同时无序结构使非晶合金具有优于晶体的一些特性，如高强度、良好的弹性(弹性极限约2％，而一般晶态金属为0.2％左右)、耐腐蚀、抗辐照、耐疲劳、耐磨损以及在过冷液相区内优异的加工能力等。从1960年Duwez等人采用熔体快速冷却的方法制备出非晶态的Au-Si合金开始，非晶合金一直活跃在材料物理的前沿领域，尤其是20世纪80年代末日本东北大学金属研究所用电弧炉制备出直径达到毫米甚至厘米尺寸的非晶态合金样品，将非晶合金的研究推向另一个高潮。非晶合金其临界尺寸达到几个厘米量级，冷却速率仅为几K/s，为大块非晶的大规模制备及应用提供可能。另外，非晶合金加热到玻璃化转变温度(Tg)以上及晶化温度(Tx)以下，存在一个发生软化但不晶化的温度区，称为过冷液相区(SLR)。一般用T＝Tx-Tg大小表征过冷液相区，过冷液相区成型对于非晶态合金加工成生物医用器件有重要意义。

[0004] Zn，作为一种廉价的常规过渡族金属，因为其优良的抗氧化性而被用作防腐涂层，同时也是生物体必需的元素之一。若能成功开发CaZn基非晶合金将有望突破Ca合金降解速率过高的瓶颈，将其运用到生物医用材料领域。发展CaZn基非晶合金既具有广阔的潜在应用前景又有利于我国提高知识产权的自主创新能力。

发明内容

[0005] 本发明的一个目的是提供一种生物医用可控降解CaZn基非晶合金，本发明的另一个目的是提供一种制备生物医用可控降解CaZn基非晶合金的方法，本发明的再一个目的是提供一种生物医用可控降解CaZn基非晶合金在生物医用领域的应用。

[0006] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一方面，本发明提供了一种生物医用可控降解CaZn基非晶合金，其主要成分为Ca和Zn，其组成表示为以下通式：(CaaYbbSrc)(ZndCueAgf)(MggLihSni)Xj，其中，[0008] 下标a、b、c、d、e、f、g、h、i、j分别表示Ca、Yb、Sr、Zn、Cu、Ag、Mg、Li、Sn和X各元素的原子数，40≤(a+b+c)≤70、 15≤(d+e+f)≤50、10 ≤ (g+h+i) ≤ 30、
0≤j≤10且a+b+c+d+e+f+h+i+j＝100，这里Yb、Sr为Ca的替换
元素，其各自的替代范围均不能超过Ca、Yb、Sr原子总数的50％，Cu、Ag为Zn的替换元素，其各自的替代范围均不能超过Zn、Cu、Ag原子总数的50％，Li、Sn为Mg的替换元素，其各自的替代范围均不能超过Mg、Li、Sn原子总数的50％，关于元素的选择以及原子百分比具体范围的确定参见图1所示；

[0009] 元素X为微合金化元素，其为选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al中的一种或几种元素的组合。

[0010] 进一步，通过计算热焓可知，所述合金包含不少于50％体积百分比的非晶相。

[0011] 进一步，所述合金为块状、条带状或粉末状。

[0012] 另一方面，本发明还提供了制备所述CaZn基非晶合金的方法，其包括如下步骤：

[0013] 1)称取原料Ca、Zn和Mg；

[0014] 2)将步骤1)配好的原料混合，在真空中及氩气保护下，加热至熔化，搅拌均匀；

[0015] 3)将步骤2)所得物喷铸到铜模具中，即得到块状CaZn基非晶合金。

[0016] 进一步，在步骤1)中，所述原料还包括Yb、Sr、Cu、Ag、Li、Sn和X，优选地，所述元素X为选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Y、Ga、Ni、Al中的一种或几种元素的组合。

[0017] 更进一步，所述原料的物质的量之比为(CaaYbbSrc)(ZndCueAgf)(MggLihSni)Xj通式中的原子比，其中，40≤(a+b+c)≤70、15 ≤ (d+e+f) ≤ 50、 10 ≤ (g+h+i) ≤ 30、
0≤j≤10且a+b+c+d+e+f+h+i+j＝100。

[0018] 更进一步，所述原料中Ca和Sr的纯度不低于99wt％，其余各元素的纯度均不低于99.9wt％。

[0019] 进一步，所述步骤2)包括：将配好的原料混合放入封底的石英管中，放进高频感-4应炉，用真空泵抽真空至5.0×10 Pa以上，然后充入适量的高纯氩气做保护气体，用高频线圈小电流加热至熔化，当电磁搅拌均匀后，喷铸到铜模具中，即得CaZn基非晶合金。

[0020] 进一步，所述步骤3)还包括：将步骤2)所得物喷到旋转的铜轮上，即可得到条带状CaZn基非晶合金，通过球磨后可得到粉末状CaZn基非晶合金。

[0021] 再一方面本发明还提供了所述CaZn基非晶合金在生物医用材料领域的应用，优选地，所述应用包括：药物输运载体和磁共振成像领域，更优选地，所述应用包括：制备血管支架、骨组织替代或修复材料以及组织工程支架材料。

[0022] 本发明提供的生物医用可控降解CaZn基非晶合金与现有技术的生物医用材料相比，其有益之处在于：

[0023] 1、由于Ca、Zn元素在人体中含量丰富，且价格低廉，使得制成的CaZn基非晶合金的成本很低，同时降解产物也可以通过吸收促进骨组织的新生；

[0024] 2、该CaZn基非晶合金，能突破平衡态固溶度的限制，获得结构均匀的非晶态，同时所需临界冷却速率低，抗氧化能力强，形成非晶的能力及抑制结晶的能力很强，易于形成大尺寸均匀结构的非晶合金，很容易就做成直径在2毫米以上的非晶合金；

[0025] 3、该CaZn基非晶合金的制备工艺简单，成本低廉；

[0026] 4、该CaZn基非晶合金相对多晶态合金，结构均匀，可实现均匀腐蚀，同时非晶态结构以及高的Zn固溶度使其具有好的抗腐蚀性，从而保证了长期的力学稳定性；

[0027] 5、该CaZn基非晶合金具有高的强度、弹性应变量以及高的耐摩擦系数和低的弹性模量，使得CaZn基非晶合金有望被作为一种生物材料而被应用，另外CaZn基非晶合金具有低的磁化率，可与磁共振成像很好的兼容，能够解决传统的不锈钢、钛合金不匹配的问题；

[0028] 6、通过CaZn原子百分比的改变、相似元素的替换以及微合金元素的加入，可调整CaZn基非晶合金的腐蚀速率、强度及模量，以满足不同组织环境的需要。

附图说明

[0029] 以下结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

[0030] 图1是本发明CaZn基非晶合金元素组成和成分范围图；

[0031] 图2是本发明实施例1-3制备的CaZn基非晶合金X射线衍射(XRD)图，其中，(a)是本发明实施例1的CaZn基非晶合金Ca60Zn15Mg20Sr5的XRD图，(b)是本发明实施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn20Mg25Sr20的XRD图，(c)是本发明实施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的XRD图；

[0032] 图3是本发明实施例1-3制备的CaZn基非晶合金差热分析(DSC)曲线图，其中，(a)是本发明实施例1的CaZn基非晶合金Ca60Zn15Mg20Sr5的DSC曲线图，其升温速率为20K/min，(b)是本发明实施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn20Mg25Sr20的DSC曲线图，其升温速率均为20K/min，(c)是本发明实施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的DSC曲线图，其升温速率为20K/min；

[0033] 图4是本发明实施例1-3制备的CaZn基非晶合金压缩应力-应变曲线图，其中，(a)是本发明实施例1的CaZn基非晶合金Ca60Zn15Mg20Sr5的压缩应力-应变曲线图，(b)是本发明实施例2的CaZn基非晶合金Ca35Zn20Mg25Sr20的压缩应力-应变曲线图，(c)是本发明实施例3的CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的压缩应力-应变曲线图。

具体实施方式

[0034] 下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。

[0035] 所用金属原材料均购自北京翠铂林有色金属技术开发中心，其中Ca、Sr的纯度不低于99wt％，其余原料纯度不低于99.9wt％；非晶合金制备采用物理所与物科光电联合开发的设备，型号为kyky FD-1200K；X射线衍射分析采用的设备为MAC M03衍射仪；热分析所用设备为Mettler Toledo DSC822e；压缩实验在Instron 5500R1186设备上完成测试。

[0036] 实施例1：CaZn基非晶合金Ca60Zn15Mg20Sr5的制备

[0037] 将纯度不低于99wt％的Ca、Sr原料与纯度不低于99.9wt％Zn、Mg原料四种组分按摩尔比为60∶15∶20∶5的比例配好后，将原材料放在石英管中并置于高频感应炉。-4
用真空泵抽真空至5.0×10 Pa以上，充入适量的高纯氩气后，用高频线圈小电流加热至熔化。用电磁搅拌均匀，喷铸到用液氮冷却的铜模具中，即得到成分为Ca60Zn15Mg20Sr5、直径为
5mm的块体非晶合金；若喷到旋转的铜轮上，即可得到非晶条带，通过球磨后可得到粉末。
该材料具有良好的生物相容性和力学性能，可在生物体液环境中能降解吸收。

[0038] 如图2(a)所示，从该合金的XRD图中可以看出，该合金是完全的非晶态合金。

[0039] 如图3(a)所示，从该合金的DSC图中可以看出，其玻璃化转变温度(Tg)和晶化开始温度(Tx)分别为96℃和129℃。

[0040] 如图4(a)所示，从该合金的压缩应力-应变曲线图可以看出，该合金断裂强度为595兆帕。

[0041] 实施例2：CaZn基非晶合金Ca35Zn20Mg25Sr20的制备

[0042] 将纯度不低于99wt％的Ca、Sr原料与纯度不低于99.9wt％Zn、Mg原料四种组分按摩尔比为35∶20∶25∶20的比例配好后，将原材料放在石英管中并置于高频感应炉。-4
用真空泵抽真空至5.0×10 Pa以上，充入适量的高纯氩气后，用高频线圈小电流加热至熔化。用电磁搅拌均匀，喷铸到用液氮冷却的铜模具中，即得到成分为Ca35Zn20Mg25Sr20、直径为
2mm的块体非晶合金；若喷到旋转的铜轮上，即可得到非晶条带，通过球磨后可得到粉末。
该材料具有良好的生物相容性和力学性能，可在生物体液环境中降解吸收。

[0043] 如图2(b)所示，从该合金的XRD图中可以看出，该合金是完全的非晶态合金。

[0044] 如图3(b)所示，从该合金的DSC图中可以看出，其玻璃化转变温度(Tg)和晶化开始温度(Tx)分别为109℃和159℃。

[0045] 如图4(b)所示，从该合金的压缩应力-应变曲线图可以看出，该合金断裂强度为605兆帕。

[0046] 实施例3：CaZn基非晶合金Ca32Zn34Mg16Sr18的制备

[0047] 将纯度不低于99wt％的Ca、Sr原料与纯度不低于99.9wt％Zn、Mg原料四种组分按摩尔比为32∶34∶16∶18的比例配好后，将原材料放在石英管中并置于高频感应炉。-4
用真空泵抽真空至5.0×10 Pa以上，充入适量的高纯氩气后，用高频线圈小电流加热至熔化。用电磁搅拌均匀，喷铸到用液氮冷却的铜模具中，即得到成分为Ca32Zn34Mg16Sr18的块体非晶合金；若喷到旋转的铜轮上，即可得到非晶条带，通过球磨后可得到粉末。该材料具有良好的生物相容性和力学性能，可在生物体液环境中降解吸收。

[0048] 如图2(c)所示，从该合金的XRD图中可以看出，该合金是完全的非晶态合金。

[0049] 如图3(c)所示，从该合金的DSC图中可以看出，其玻璃化转变温度(Tg)和晶化开始温度(Tx)分别为118℃和166℃。

[0050] 如图4(c)所示，从该合金的压缩应力-应变曲线图可以看出，该合金断裂强度为607兆帕。

[0051] 实施例4～52：其它配比的CaZn基非晶合金的制备

[0052] 参照实施例1～3的方法，制备出各种配比的CaZn基非晶合金，其组成和性能参数列于表1中。

[0053] 表1CaZn基非晶合金的组成和热物性参数

[0054]

[0055]

[0056] 注：1)表中符号含义如下：Tg-玻璃化转变温度；Tx-晶化开始温度；σf-断裂强度[0057] 2)表中各样品测量时所用的加热速率为20K/min。