Mg-Ba系镁合金及其制备方法与应用

一种mg-ba系镁合金及其制备方法与应用

技术领域

1.本发明属于医用可降解金属材料领域，具体涉及一种mg-ba系镁合金及其制备方法与应用。

背景技术：

2.传统医用金属材料如不锈钢、钛合金等具有良好的力学性质和耐腐蚀性能，在临床上应用广泛。然而，此类材料作为异物在体内长期留存，可能会对周围组织造成不同程度的刺激，并可能由此造成一系列严重后果。例如，传统金属内固定材料的弹性模量远高于人骨，存在“应力遮挡”效应，易导致骨内缺乏足够应力刺激，以致骨折愈合迟缓，甚至诱发二次骨折。又如，由于植入材料发生磨损和有害离子溶出，可能引发人体过敏和炎症反应，严重时甚至导致畸变和诱导癌变等重大疾病发生。此外，骨折内固定等患者病愈后，往往需经二次手术将金属植入物取出，这又会给患者带来新的额外的临床手术痛苦、感染风险和经济负担。

3.近年来，可降解镁合金的出现，为解决上述问题提供了新方案，因此被称为“革命性医用金属材料”。可降解镁合金在体内可被逐渐腐蚀降解，释放的降解产物可被机体利用，或被排出体外，在协助组织完成修复之后不残留任何植入物。镁是人体必需的宏量元素，它与生命的维持、身体健康有着密切的关系，其本身是高度生物相容的，过剩的镁可经肾脏高效排出。可降解镁合金的弹性模量和密度与骨组织相近，作为骨科植入材料，镁合金可以有效避免“应力遮挡”效应。此外，镁合金腐蚀降解释放的镁离子可以有效诱导新骨生成和促进骨整合。综上所述，镁合金具备理想的骨科植入材料的特性，有望提升骨折、骨缺损等骨相关疾病治疗效果。

4.但是，现有的可降解镁合金大部分存在降解过快、局部腐蚀严重，以及由此带来的组织兼容性差、材料与骨整合不良的问题，这在一定程度上限制了其在骨科的应用及推广。深究其原因，现有医用镁合金中绝大部分合金元素的电极电位高于mg，据混合电位理论，这些合金元素与mg形成的第二相的电位对应地高于mg基体，二者在液体环境中形成电偶对，mg基体将优先腐蚀，常导致腐蚀过快、局部腐蚀严重及器械过早失效。此外，这些相对稳定的第二相能否降解，并最终被代谢/排出的问题仍然不清晰，存在医学应用隐患。因此，新研发的可降解镁合金材料应重点解决其可控降解及组织兼容性问题，镁合金中相组成的电极电位设计及调控是潜在的可行途径。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种显微组织均匀、具有适宜力学性能、降解可调可控、组织兼容性良好、适用于骨科等环境使用的mg-ba系镁合金及其制备方法与应用。

6.本发明的目的通过下述技术方案实现：

7.一种mg-ba系镁合金，合金成分包括mg和ba；以质量百分比计，合金中ba的含量为0

～10.0wt.％，但不包括0，余量为mg。优选地，所述ba的含量为0.2～7.0wt.％。进一步优选地，所述ba的含量为0.2～2.0wt.％。

8.上述mg-ba系镁合金的制备方法，包括下述步骤：

9.(1)称取高纯度mg、ba原料，混合均匀，得到混合物；在感应炉中抽真空后(＜10-2

pa)，充入氩气、或者co2和sf6混合气氛保护下，对所述混合物进行熔炼，得到金属熔体；

10.(2)将所述金属熔体均匀送入两个反向旋转的轧辊中，金属熔体快速冷却，在轧辊间实现同步浇注和轧制，获得mg-ba系合金预变形板坯；

11.(3)对所述mg-ba系合金预变形板坯进行深度塑性加工，即板坯先在350～550℃均匀化/固溶处理，保温5～24h，采用空冷/水冷，然后在150～500℃条件下进行挤压、轧制或等径角挤压处理，获得mg-ba系镁合金。所述mg-ba系镁合金可以为棒材、板材、管材和丝材。

12.步骤(1)中，所述熔炼的温度为750～900℃，熔炼过程中施加电磁搅拌或机械搅拌，完全熔融的熔体保温搅拌10～30min，确保熔体均一，无残留未熔颗粒。

13.步骤(2)中，可调控轧辊与熔体流出口距离、熔体流出速度、轧辊旋转速度(优选5～15rpm)、轧辊间间距(优选1～10mm)，获得质量均一的预变形板坯。

14.步骤(3)中，所述挤压的工艺条件为：挤压温度为200～500℃，挤压比为10～100，挤压速度为0.5～100mm/s，正向挤压，一道次挤压。

15.步骤(3)中，所述轧制的工艺条件为：轧制温度为150～500℃，单道次压下量为10～40％，道次间可选择在100～300℃退火，控制不同道次间的轧制方向一致。

16.步骤(3)中，所述等径角挤压的工艺条件为：采用bc路径，挤压速度0.5～5mm/s，挤压道次1～16次，挤压温度为200～500℃。

17.若采用常规熔炼、浇注方法，mg-ba等共晶体系中共晶相粗大，后续的塑性加工很难将共晶相完全破碎，微区组织结构可能存在不均一，可能导致局部腐蚀。本发明中，在步骤(2)中将浇注和轧制同步进行，预变形过程有效破碎了mg-ba合金中的共晶组织，改善合金变形能力，再经后续的深度塑性加工，可确保最终获得的mg-ba系合金组织结构均匀，性能均一、稳定。

18.本发明还提供了上述mg-ba系镁合金在制备骨科医用植入体中的应用。

19.所述骨科医用植入体包括骨板、骨钉、骨组织修复支架、髓内针、接骨套、诱导组织再生膜、骨缺损补片和脊柱内固定器材中的至少一种。

20.此外，本发明中的mg-ba系镁合金还可用作医用植入体上的显影标记部件，所述的医用植入体包括血管支架、气道支架、胰胆支架、尿道支架等腔道支架和封堵器、瓣膜、腔道内滤器中的至少一种。例如，将mg-ba系镁合金用作血管支架两端的显影标记部件，可明显增强植入体在x射线下的显影性能，方便射线引导下的介入手术操作过程及术后随访检查。

21.本发明的原理是：

22.(1)钡(ba)是自然存在于人体中的微量元素，健康成年人(70kg)体内ba的总量约为16mg；含ba的医用硫酸钡在胃肠道内不吸收，也没有过敏反应，被用作胃肠道造影剂；很多研究将ba归为“无毒微量元素”，ba可被人体代谢排出；因此，严格控制镁合金中的ba含量及其在体释放量，理论上不会造成局部和系统毒性；

23.(2)ba在镁中的溶解度极小，在本发明要求的ba含量范围内，添加到镁合金中的ba将以第二相(mg

17

ba2、mg

23

b6或mg2ba)的形式析出，起到第二相强化的作用，细化组织，提升

医用镁合金的力学性能；

24.(3)mg和ba的标准电极电位分别为-2.37v和-2.91v，ba的标准电极电位略低于mg，因此mg-ba合金中形成的第二相的电极电位也略低于基体mg；在体液环境中，第二相颗粒作为阳极优先溶解；因此，能够确保的是mg-ba合金中的第二相和基体相都能够被完全腐蚀，实现材料100％降解；这与诸多其他医用镁合金不同，避免了在其他合金中第二相是否能够降解，降解产物能否代谢的不确定性，提升了材料的安全性；

25.(4)基于mg-ba合金中第二相优先于mg基体腐蚀的基础上，可通过调整mg-ba合金成分、浇注-轧制一体化参数、均匀化/固溶热处理条件和深度塑性加工工艺，实现对第二相体积分数/数量、尺寸、形状和分布的调控，优化力学性能，并实现对mg-ba合金降解行为的精确调控；

26.(5)ba的相对原子质量为137.3，约为mg(24.3)的5.7倍，射线下的显影性优于mg，镁合金中添加ba，可提升镁合金在x射线下的显影性，这对于某些植入体(如血管支架)的植入操作及后续随访有益。

27.本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：

28.(1)本发明首次以ba作为mg中合金元素，mg-ba系镁合金中第二相的标准电极电位低于基体mg，优先于基体腐蚀，可保证合金完全降解，无任何残留。

29.(2)通过同步浇注和轧制预变形技术与深度塑性加工手段相结合，调控mg-ba系合金中第二相的数量、尺寸、形态和分布，可实现对mg-ba系合金降解行为的调控，避免局部腐蚀发生，使降解速度可控可调。

30.(3)本发明的mg-ba系合金可以均匀腐蚀、无第二相残留、无有毒有害元素释放及可控降解，这保证了本发明mg-ba系合金具有良好的细胞、组织反应，在体与骨整合良好。

31.(4)mg-ba系合金在x射线下的显影性好，有利于x射线引导下的手术操作以及术后的影像学随访。

附图说明

32.图1为等径角挤压mg-ba系镁合金的显微组织。

33.图2为等径角挤压mg-ba系镁合金的xrd图谱。

34.图3为挤压态mg-ba系镁合金的力学性能。

35.图4为轧制态mg-ba系镁合金的体外降解性能。

36.图5为挤压态mg-ba系镁合金的体外生物学性能。

37.图6为挤压态mg-2ba合金植入大鼠股骨后的micro-ct结果。

38.图7为挤压态mg-2ba合金植入大鼠股骨后的亚甲基蓝酸性品红染色结果。

具体实施方式

39.为了便于理解本发明，下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但是，不以任何形式限制本发明。应该指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，本发明还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

40.除非另有定义，本文中使用的所有技术和科学术语属于本发明的技术领域常用的

专业术语，与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在限制本发明。

41.采用如下检测手段对实施例和对比例中的材料进行评估，对应的具体检测方法如下：

42.(1)显微组织

43.样品表面依次经过400-2000#水砂纸机械打磨，最终研磨至表面平整光亮。采用x射线衍射仪(rugakuultima iv)进行合金物相鉴定。测试参数为cu kα辐射，管电压为40kv，扫描范围10-90

°

，扫描速度2

°

/min。样品经4％硝酸酒精浸蚀后，使用金相显微镜(bx51，olympus)观察显微组织。

44.(2)力学性能

45.按照astm-e8-04切割标准拉伸试样，拉伸实验在万能试验机(instron 5969)上进行，测试温度为室温，拉伸测试速率为1mm/min。从拉伸曲线上获得屈服强度(ys)、抗拉强度(uts)、延伸率(el.)数值。

46.(3)腐蚀行为

47.依据astm-f746标准，利用电化学工作站(pgstat 302n,metrohmautolab)测试材料的电化学腐蚀行为，选用的模拟体液为hank’s溶液，以1mv/s的扫描速率进行动电位极化测试，获得腐蚀电流密度i

corr

，并计算腐蚀速率v

corr

。参照astm f3268-18a标准进行浸泡实验，浸泡比例为20ml/cm2，记录析氢体积，反应腐蚀速率。

48.(4)成骨性能

49.灭菌后样品，按照材料表面积/细胞培养基体积比为1.25cm2/ml加入dmem培养基(含10％胎牛血清)放置于37℃、5％co2培养箱中孵育24h，获得材料浸提液。使用浸提液培养人骨髓间充质干细胞(hbmmscs)细胞，cck-8法测试细胞活性，实时荧光定量pcr实验检测成骨分化相关的基因runx2、alp、ocn与osx的表达情况。

50.(5)在体组织学反应

51.mg-ba合金植入体经co60射线辐照灭菌，植入雌性sd大鼠股骨，术后12w，回收大鼠股骨，进行后续micro-ct和组织学分析。micro-ct扫描参数设定为：电压60kv,电流220μa,曝光时间1500ms，有效像素尺寸8.82μm。对植入骨段和残余材料进行三维重建。取植入部位骨段，经脱钙、包埋切片后，进行亚甲基蓝酸性品红染色，观察新骨形成、材料与骨整合情况。

52.实施例1

53.按比例称取纯mg(99.98wt.％)和纯ba(99.9wt.％)原料(纯金属/中间合金)，混合充分后，在感应炉中进行熔炼。抽真空后(＜10-2

pa)，充入高纯氩气作为保护气氛，在800℃下进行熔炼，对熔体施加电磁搅拌或机械搅拌，保温30min后，均匀的熔体导入两个反向旋转的轧辊中，冷却过程中，实现同步浇注和轧制，获得不同合金成分的预变形mg-ba系合金，包括：mg-0.2ba、mg-0.5ba、mg-1.0ba、mg-2.0ba、mg-10ba。

54.实施例2

55.参照实施例1中描述的方法，在750-900℃条件下熔炼，同步浇注和轧制后获得mg-0.2ba、mg-0.5ba、mg-1.0ba和mg-2.0ba预变形合金。预变形合金在400℃均匀化处理10h后空冷，进行等径角挤压，采用bc路径，控制挤压速度2mm/s、挤压道次4次、挤压温度为300℃。

经过等径角挤压处理后，mg-ba合金晶粒进一步明显细化，第二相颗粒得到有效破碎(图1)。x射线衍射(xrd)结果显示上述mg-ba合金中的第二相为mg

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ba2(图2)。

56.实施例3

57.参照实施例1中描述的方法，制备mg-ba系合金，预变形合金在400℃均匀化处理10h后，在300-400℃挤压，控制挤压比为25，挤压速度4mm/s，一道次挤压至直径10mm，获得mg-ba二元合金挤压棒材。对获得的mg-ba系合金进行室温拉伸实验。可以发现，ba的加入显著提高了镁合金的拉伸性能(图3)。当ba含量为0.2wt.％时，对应合金的屈服强度(96

±

6mpa)仍较低，当ba含量增加至0.5wt.％，屈服强度(121

±

9mpa)相比mg-0.2ba提高了26％。进一步提高ba含量，达到2.0wt.％时，屈服强度进一步提高(134

±

9mpa)。挤压态mg-ba合金抗拉强度随ba含量的变化与屈服强度变化一致，即随ba含量提高而提高，当ba含量为2.0wt.％时具有最高的抗拉强度(246

±

3mpa)。

58.实施例4

59.参照实施例1中描述的方法，制备mg-ba系合金，预变形合金在400℃均匀化处理10h后，进行多道次轧制，轧制温度为300℃，每道次压下量控制为20％，道次间进行250℃退火处理，获得厚度为2mm的轧制板材。对获得的mg-ba系合金进行腐蚀电化学测试，从动电位极化曲线上可以看到，ba的加入使阴极曲线整体向左下偏移，合金的腐蚀电位更低(图4(a)。mg-ba系合金设计中，ba的电极电位比mg更低，添加到mg中导致合金电位降低。同时，ba与mg形成第二相mg

17

ba2，由混合电位理论可知其电位低于mg基体，mg

17

ba2将优先于基体腐蚀。测得的电化学腐蚀参数列于表1中，可见，添加ba合金化后，合金的开路电位和腐蚀电位值更低，短期内腐蚀电流密度和腐蚀速率与纯镁相当。浸泡实验中氢气析出体积直观地反应了材料在较长时间段内的腐蚀行为(图4(b))，可以看到，当ba含量为0.2wt.％和0.5wt.％时，析氢量相当；当ba含量提高至1.0wt.％时，浸泡10d后的析氢量为5.9ml/cm2，仅为强两者的1/3左右。进一步提高ba含量至2wt.％，10d后的析氢量仅为0.8ml/cm2，甚至低于纯mg组的析氢量。腐蚀产物层中没有发现未腐蚀的mg

17

ba2相，说明材料可完全降解。浸泡实验结果证实，因mg

17

ba2电极电位低于mg基体，但又仅仅是略低于mg基体，不至于明显加速镁合金腐蚀，或使腐蚀不可控，不可预测。相反，通过调整合金成分，通过浇注和轧制一体化预变形处理、热处理和深度塑性加工调控合金显微组织(晶粒尺度、第二相数量、尺寸、形状和分布等)可实现mg-ba系合金腐蚀行为和腐蚀速率的调控。可依据使用部位需求，调控mg-ba系合金腐蚀快慢。

60.表1轧制态mg-ba系合金电化学腐蚀参数

[0061][0062]

测试例1

[0063]

对实施例3获得的挤压态mg-ba系合金进行成骨性能评估。因mg-1ba在dmem培养基中腐蚀较快，释放的金属离子过多，对hbmmscs活性有一定抑制(图5(a))，可通过调整其腐

蚀速率改善细胞相容性。体内环境自身具有极强的缓冲能力，一般认为局部离子浓度远低于体外测试环境。其余mg-ba合金均未对hbmmscs细胞产生毒性，材料的细胞相容性良好。进一步地，考察了典型mg-2ba合金对成骨基因表达的影响。可见，mg中ba的加入可以显著提升成骨相关基因(runx2、alp、ocn与osx)的表达水平(图5(b))。体外细胞实验证实mg-ba系合金具有良好的细胞兼容性，并有利于成骨分化。

[0064]

测试例2

[0065]

将实施例3中制备的mg-2ba合金植入到大鼠股骨后12w(以纯mg和mg-1ca作为对照)，micro-ct结果显示，mg-2ba合金边缘清晰且平整，腐蚀均匀，表现出明显更好的耐腐蚀性能，而纯mg边缘呈现锯齿状，表明腐蚀较快，局部腐蚀严重(图6)，mg-1.0ca合金同样表现出一定程度的局部腐蚀。mg-2ba植入体周围无明显氢气腔，材料与骨皮质紧密相连。但是，mg植入体周围可见明显气体空腔，材料与骨整合不良。micro-ct结果还显示mg-2ba植入体的衬度明显高于mg和mg-1ca植入体，证明其在x射线下的显影性更优。mg-2ba合金硬组织切片的亚甲基蓝酸性品红染色结果显示(图7)，mg-2ba植入体周围组织生长良好，未见明显炎症反应，材料与骨组织结合紧密，说明mg-2ba合金与骨组织兼容，骨整合良好。但是，mg植入体组织切片可见明显气腔，材料与骨整合情况不佳，与micro-ct结果一致(图6)。

[0066]

对比例1

[0067]

参照实施例1和实施例3所述方法，制备挤压态纯mg。经测试，纯mg由单一α-mg相构成，无第二相。纯mg的屈服强度、抗拉强度分别为66

±

6mpa和170

±

2mpa，显著低于本发明实施例的mg-ba系合金(图3)。纯mg的电化学腐蚀速率落入mg-ba系合金腐蚀速率范围内(表1)。纯mg对hbmmscs细胞无毒性，但是成骨基因表达水平显著低于mg-ba系合金(图5)。植入大鼠股骨的纯mg在术后12w出现明显的局部腐蚀，腐蚀过快，氢气释放过多，造成mg植入体周围气腔存在，导致成骨及骨整合不佳(图6、图7)。

[0068]

对比例2

[0069]

参照实施例1和实施例3所述方法，制备挤压态mg-1ca合金。需要说明的是，ca与ba为同族元素，ca在mg中的最大固溶度为1.34wt.％，室温下的固溶度同样较低。ca的电极电位同样略低于mg，因此mg2ca第二相优先于mg基体腐蚀。经测试，mg-1ca的综合力学性能与实施例2-6中的mg-ba系合金相当。mg-1ca对hbmmscs细胞无毒性，诱导成骨基因表达水平略高于纯mg，但是仍显著低于mg-ba系合金(图5)。植入大鼠股骨的mg-1ca在术后12w仍出现了一定程度的局部腐蚀，局部腐蚀位点处新骨生成较少(图7)，在体表现整体不如mg-1ba合金。

[0070]

对比例3

[0071]

采用常规熔炼(800℃)和浇注方法获得mg-2ba铸态合金，铸态合金在400℃均匀化处理10h后，进行多道次轧制，轧制温度为300℃，每道次压下量控制为20％，道次间进行250℃退火处理，获得厚度为2mm的轧制板材。经显微组织观察，发现经过常规浇注和轧制的mg-2ba合金中存在粗大mg

17

ba2第二相，且第二相分布存在不均，微观组织情况不如本发明实施例(细小、均匀)。经浸泡腐蚀测试发现，常规浇注和轧制的mg-2ba合金存在明显的局部腐蚀，10d后的析氢量为3.2ml/cm2，远高于实施例4中的同成分mg-2ba合金(0.8ml/cm2)。

[0072]

以上所述仅为本发明的实施例，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等

效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。技术特征：

1.一种mg-ba系镁合金，其特征在于：合金成分包括mg和ba；以质量百分比计，合金中ba的含量为0～10.0wt.％，但不包括0，余量为mg。2.根据权利要求1所述的mg-ba系镁合金，其特征在于：所述ba的含量为0.2～7.0wt.％。3.一种权利要求1或2所述的mg-ba系镁合金的制备方法，其特征在于包括下述步骤：(1)称取高纯度mg、ba原料，混合均匀，得到混合物；在感应炉中抽真空后，充入氩气、或者co2和sf6混合气氛保护下，对所述混合物进行熔炼，得到金属熔体；(2)将所述金属熔体均匀送入两个反向旋转的轧辊中，金属熔体快速冷却，在轧辊间实现同步浇注和轧制，获得mg-ba系合金预变形板坯；(3)对所述mg-ba系合金预变形板坯进行深度塑性加工，即板坯先在350～550℃均匀化/固溶处理，保温5～24h，采用空冷/水冷，然后在150～500℃条件下进行挤压、轧制或等径角挤压处理，获得mg-ba系镁合金。4.根据权利要求3所述的mg-ba系镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述熔炼的温度为750～900℃，熔炼过程中施加电磁搅拌或机械搅拌，完全熔融的熔体保温搅拌10～30min。5.根据权利要求3所述的mg-ba系镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，可调控轧辊与熔体流出口距离、熔体流出速度、轧辊旋转速度、轧辊间间距，获得质量均一的预变形板坯。6.根据权利要求3所述的mg-ba系镁合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述挤压的工艺条件为：挤压温度为200～500℃，挤压比为10～100，挤压速度为0.5～100mm/s，正向挤压，一道次挤压；所述轧制的工艺条件为：轧制温度为150～500℃，单道次压下量为10～40％，道次间可选择在100～300℃退火，控制不同道次间的轧制方向一致；所述等径角挤压的工艺条件为：采用bc路径，挤压速度0.5～5mm/s，挤压道次1～16次，挤压温度为200～500℃。7.一种权利要求1或2所述的mg-ba系镁合金的应用，其特征在于：在制备骨科医用植入体中的应用；所述骨科医用植入体包括骨板、骨钉、骨组织修复支架、髓内针、接骨套、诱导组织再生膜、骨缺损补片和脊柱内固定器材中的至少一种。8.一种权利要求1或2所述的mg-ba系镁合金的应用，其特征在于：用作医用植入体上的显影标记部件，所述的医用植入体包括腔道支架、封堵器、瓣膜、腔道内滤器中的至少一种。

技术总结

本发明公开了一种Mg-Ba系镁合金及其制备方法与应用，合金成分包括Mg和Ba；以质量百分比计，合金中Ba的含量为0～10.0wt.％，但不包括0，余量为Mg；通过同步浇注和轧制预变形技术与深度塑性加工手段相结合的方法制备，可以用于制备骨科医用植入体。本发明的Mg-Ba系合金可以均匀腐蚀、无第二相残留、无有毒有害元素释放及可控降解，这保证了本发明Mg-Ba系合金具有良好的细胞、组织反应，在体与骨整合良好。在体与骨整合良好。在体与骨整合良好。

技术研发人员：郑玉峰 刘洋 夏丹丹 边东 成艳

受保护的技术使用者：北京大学

技术研发日：2022.04.28

技术公布日：2022/8/4