[發明專利]一種低彈性模量新型醫用鋯合金及其設計方法

有效

• 申請號: 201810393350.7
• 申請日: 2018-04-27
• 公開（公告）號: CN108411157B
• 公開（公告）日: 2020-03-24
• 發明（設計）人: 湛永鐘;湯宏群;甘夏霞;韓峰;丁曉龍;李吉東;郭付達;張嘉凱
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C1/02
• 代理公司: 南寧啟創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 45122
• 代理人: 謝美萱

本發明公開了一種低彈性模量新型醫用鋯合金及其設計方法。本發明原料的原子百分比為：錫0.1at.％?3at.％，銅3at.％?5at.％，鈮0.1at.％?15at.％，鋯為余量。其設計方法是利用二次回歸正交旋轉組合設計進行成分設計，得到實驗方案；然后將方案中的合金元素的各原子百分比換算成重量百分比，得到稱重配比方案；按照組合設計所得的稱重配比方案進行合金制備、壓縮實驗、進一步的物相分析和顯微組織觀察試驗；然后利用SPSS對實驗結果進行分析，最終得到合金性能與合金元素的數學模型。根據數學模型設計出來的鋯合金具有低的彈性模量、適中的壓縮強度和屈服強度，高的彈性能，符合臨床醫學對植入材料的要求。

技術領域

本發明屬于醫用生物材料領域，具體涉及低彈性模量醫用鋯合金的成分設計及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著人們生活水平的提高和科學技術的發展，生物材料發展迅速，對人體硬組織替代材料的研究也越來越深入。這些醫用植入材料要得到應用，必須得滿足一些基本的性能條件，比如良好的生物相容性、在體液中的耐腐蝕性、高的機械強度、良好的耐磨性和低的彈性模量等。其中，低的彈性模量至關重要，它不僅關系著醫用植入材料的壽命和服役情況，還影響人的身體健康。目前大多數的生物金屬材料，如鈦及鈦合金(55-120GPa)具有比人骨(10-30GPa)更高的彈性模量。而錯配模量會導致骨的應力遮擋，機械應力不能均勻傳遞給周圍的骨骼，導致種植體植入后的骨吸收和松動，降低愈合速率，并給使用者帶來疼痛。因此，開發具有低彈性模量的生物材料是非常重要的。

近年來，作為鈦的同族元素，鋯的耐腐蝕性、生物相容性以及優異的力學性能都被科研人員所看好，鋯在生物醫用材料領域的研究逐漸變多。但是與鈦相比，鋯在生物醫用領域的報道還是相對偏少，并主要集中在生物醫學應用的金屬玻璃(BMG)的開發上。目前已開發出的Zr基BMG的彈性模量(80-119GPa)依舊比骨的彈性模量(10-30GPa)大的多，且其具有不令人滿意的機械性能，不適合臨床應用，因此醫用植入材料優先選擇生物金屬材料。

對于大多數合金，目前使用較普遍的成分設計方法主要有以下幾種：傳統的試錯法(Trial and error)、Mo當量法、d-電子理論合金設計法、熱力學平衡成分設計法等。但是它們大都存在著操作復雜、工作量和實驗誤差大、沒有考慮元素間的交互作用等缺點。二次回歸正交旋轉設計是一種具有正交性、回歸性、均勻性以及較好的飽和程度的一種試驗設計方法。它能使試驗設計變得合理化、簡單化，極大地減少試驗的次數卻完整的保留了信息的大量化等優點，并得出有效的數學回歸模型。它可進行影響因素的重要性分析及新條件試驗的結果估算，預報和最優化，目前在農林、機械等科研領域已經得到了廣泛的應用。此外，與其他合金成分設計方法相比，二次回歸正交旋轉設計可以得到合金性能關于合金元素的回歸方程，能更加直觀地體現合金元素對體系合金性能的影響。

發明內容

本發明的目的是提供一種低彈性模量新型醫用鋯合金及其設計方法，其能提供一種新的生物材料的成分設計的思路，可以直接得到合金性能隨摻雜元素含量多少的變化，所設計出來的醫用鋯合金在保證生物相容性的同時還具有與人骨相適配的彈性模量，通過所建立的數學模型可以進一步得到符合使用要求的醫用鋯合金的最佳成分配比。

本發明的技術方案如下：

一種低彈性模量新型醫用鋯合金，主要由錫、銅、鈮和鋯組成，各組成元素按原子百分比計算，錫為0.1at.％-3at.％，銅為3at.％-5at.％，鈮為0.1at.％-15at.％，鋯為余量。

作為技術方案的進一步改進，所述醫用鋯合金各組成元素按原子百分比計算，其最優配比錫為1.5at.％，銅為4at.％，鈮為15at.％，鋯為79.5at.％。在該配比下的鋯合金具有低的彈性模量，適中的壓縮強度和屈服強度，高的彈性能，醫用鋯合金的綜合力學性能達到最佳，符合臨床醫學對植入材料的要求。

作為技術方案的進一步改進，所述各組成元素的純度均≥99.9％。