[發(fā)明專利]一種低彈性模量高強度的醫(yī)用鋯基復合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-06-02
• 公開（公告）號: CN111647772B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設計）人: 湛永鐘;羅禮營;湯宏群;盧海濱;張嘉凱;舒適
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: C22C16/00
• 分類號: C22C16/00;C22C32/00;C22C1/10;C22C49/10;C22C49/14;C22C47/10;A61L27/04;C22C101/22
• 代理公司: 南寧啟創(chuàng)知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 45122
• 代理人: 謝美萱

本發(fā)明公開一種低彈性模量高強度的醫(yī)用鋯基復合材料及其制備方法，屬于醫(yī)用生物材料領域，所述復合材料包括如下百分比原料：二硼化鈦1.0～3.0wt.％，鈦6.67～7.86wt.％，鈮20.36～21.10wt.％，鋯為余量。本發(fā)明是通過利用TiB₂在含鈦的鋯基合金中的原位自生反應機理，將產(chǎn)生的TiB作為增強相來強化合金的性能，得到TiB增強相體積分數(shù)為2.54～7.70vol.％的鋯基生物醫(yī)用合金，經(jīng)過物相分析、顯微組織觀察分析、力學性能及腐蝕性能等測試，其兼具有低彈性模量、高強度和綜合性能較好的特性，符合臨床醫(yī)學對植入材料的要求。

技術領域

本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領域，尤其是一種低彈性模量、高強度的醫(yī)用鋯基復合材料及其制備方法。

背景技術

大量研究表明如果植入物的材料的彈性模量比人體高，將會使得人體硬組織替代材料和自然骨的力學性能不匹配，從而導致嚴重的應力屏蔽效應。當外力作用于人體時，植入物材料所受應力不能被有效地轉(zhuǎn)移，從而導致植入物植入后的骨吸收和松動，人骨弱化及萎縮，不僅會導致植入物失效，還會造成對人體的傷害。

近來，彈性模量差異導致植入物與人體組織界面的彈性變形的不匹配而引起的應力屏蔽效應引起了相關領域研究人員及醫(yī)務人員的廣泛關注。由于彈性模量差異大而導致植入手術失敗的案例常有發(fā)生。目前大多數(shù)金屬醫(yī)用生物材料，如鈦及其合金、鋯及其合金的彈性模量為55GPa～125GPa，遠高于人體自然骨骼的彈性模量，不符合人體植入物適用力學標準。傳統(tǒng)的生物醫(yī)用合金Ti-6Al-4V的彈性模量達到110GPa，比人骨的彈性模量(10～30GPa)大得多，且含有V和Al元素，兩者均具有一定的細胞毒性，若在人體內(nèi)富集將會引起人體神經(jīng)和內(nèi)臟系統(tǒng)的一系列并發(fā)癥。有研究表明，Al元素的富集很容易引起阿爾茲海默病(老年癡呆癥)，而V元素的富集容易導致腎臟損傷。已開發(fā)出的鋯基金屬玻璃的彈性模量(80～119GPa)仍然比人骨的高得多，且其機械性能較差，不符合臨床醫(yī)學應用的要求。

目前，大量研究人員開發(fā)出的單相β型鈦、鋯合金的彈性模量極其接近人體自然骨骼和擁有良好的臨床適用性，成為一類具有巨大應用前景的新型生物醫(yī)用材料。然而單相β型鈦、鋯合金由于其亞穩(wěn)的體心立方結(jié)構，其極限抗壓強度、屈服強度、硬度等機械性能比α型鈦、鋯合金都有很大程度的降低。此外，鋯的磁化率比鈦的要低得多，更能避免核磁共振檢測時由于磁化引起的圖像失真，有利于診斷的可靠性。

因此，現(xiàn)在需要開發(fā)出一種兼具低彈性模量和高強度的綜合性能優(yōu)良的新型醫(yī)用生物材料。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種低彈性模量且高強度的醫(yī)用鋯基復合材料及其制備方法，是采用原位自生反應生成增強相，增強相按照在合金內(nèi)體積分數(shù)的不同有不同的效果，所設計出來的醫(yī)用復合材料在保證生物相容性的同時還兼具有與自然人骨相適配的低彈性模量和高強度等優(yōu)異性能。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，提供如下技術方案：

一種低彈性模量高強度的醫(yī)用鋯基復合材料，所述復合材料由二硼化鈦、鈦、鈮和鋯制成，是具有2.54～7.70vol.％的TiB增強相的鋯基生物醫(yī)用合金。

進一步地，所述復合材料包括如下百分比原料：二硼化鈦1.0～3.0wt.％，鈦6.67～7.86wt.％，鈮20.36～21.10wt.％，余量為鋯。

進一步地，所述復合材料包括如下百分比原料：二硼化鈦1.0wt.％，鈦6.67wt.％，鈮21.10wt.％，余量為鋯。

進一步地，所述復合材料的彈性模量為29.93～32.81GPa，彈性能為18.04～24.50MJ/m³，最大抗壓強度為1204～1397MPa，延展率為33.01～39.04％。

本發(fā)明提供所述低彈性模量高強度的醫(yī)用鋯基復合材料的制備方法，包括如下步驟：