[發明專利]低模數耐蝕合金及其用途

在審

• 申請號: 202110108143.4
• 申請日: 2021-01-27
• 公開（公告）號: CN114807721A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 葉均蔚
• 申請（專利權）人: 葉均蔚
• 主分類號: C22C30/04
• 分類號: C22C30/04;C22C27/02;C22C16/00;A61L27/04;A61L27/06;A61L27/50;A61L31/02;A61L31/14;A61L17/00
• 代理公司: 北京鼎佳達知識產權代理事務所(普通合伙) 11348
• 代理人: 任媛;劉鐵生

本發明主要提供一種低模數耐蝕合金，其由五種主要元素組成，其中所述五種主要元素為Zr、Nb、Ti、Mo和Sn。依據本發明的設計，其至少由大于或等于31wt％的Zr、18～50wt％的Nb、10～40wt％的Ti、4～10wt％的Mo以及1.5～15wt％的Sn等多種元素所組成；其中，Zr與Ti的重量百分比總和小于或等于80wt％。實驗數據顯示，本發明的低模數耐蝕合金的多個樣品皆具有以下性質：維氏硬度大于HV250、楊氏模量小于100GPa、屈服強度大于600MPa以及孔蝕電位大于1.3V。因此，實驗數據證明，本發明的低模數耐蝕合金具有應用于制作外科植入材料或醫療器械的高度潛力，亦可應用于如彈簧、線圈、導線、夾具、扣件、葉片、閥件、彈性片、鏡框、運動器材等各式工業領域及高強度低模數耐蝕結構材料。

技術領域

本發明是關于合金材料的相關技術領域，尤指一種低模數耐蝕合金。

背景技術

生醫材料為一種具有生物兼容性且可植入活體系統中用以取代或修補活體系統之部分的材料，包括：合金材料、高分子材料以及陶瓷材料。其中，常見的合金生醫材料(Alloy as biomedical material) 可進一步分為：不銹鋼、鈷基合金以及鈦合金。不銹鋼具有易加工、價格低廉和高屈服強度的特性，因此最早被開發應用為生醫材料。

不銹鋼是由鐵、鉻、碳及其它眾多元素所組成的合金，其中，鐵與鉻為不銹鋼組成的主要元素，且鉻的重量百分比至少要11wt％。通用型號304不銹鋼為18Cr-8Ni的合金鋼，其被加工制造為骨板及骨釘。補充說明的是，18和8指的是鉻(Cr)和鎳(Ni)的重量百分比的數值，且304不銹鋼為Stainless Steel 304，其縮寫為SS304或SUS304。相較于304不銹鋼，316不銹鋼被進一步添加了含量為2-3wt％的鉬 (Mo)，因此具有更好的耐酸、耐腐蝕(氯化物)與耐高溫性質。另一方面，通過將316不銹鋼的碳含量由0.08wt％降低至0.03wt％即獲得通用型號為316L的低碳不銹鋼。目前，316L不銹鋼常用于人工關節的制作。可惜的是，臨床數據顯示，在長時間植入人體后，316L不銹鋼會因為受到腐蝕或磨損而導致金屬離子釋出至血液或組織之中，從而引起造成人體不良反應。同時，臨床數據亦指出，316L不銹鋼的密度及楊氏模量較大，因此會引起應力遮蔽效應(stress shielding effect) 從而影響骨骼正常發展。

鈷基合金為由鈷、鉻、鉬及其它眾多元素所組成的合金，其耐腐蝕性比不銹鋼高40倍。Co-28Cr-6Mo合金是鈷基合金的一種，一般采用鑄造工藝(Co-Cr-Mo合金(F75))、鍛造工藝(Co-Cr-W-Ni合金(F90)、 Co-Ni-Cr-Cr-Mo合金(F562)、Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563))和粉末冶金技術等工藝制造，主要被用于人工髖關節、膝關節、關節扣釘、接骨板、骨釘、與骨針的制作。由于鈷基合金在人體內多保持鈍化狀態，因此具有極佳的耐蝕性。可惜的是，臨床案例指出，在植入由鈷基合金制成的髖關節二至三年后，患者感到關節周圍疼痛和植入物松脫等癥狀發生。另一方面，Co-28Cr-6Mo密度約8.25g/cm3且楊氏模量約220MPa，兩者皆高于316L不銹鋼，其力學兼容性表現差于316L 不銹鋼。

鈦及鈦合金的密度在4.5g/cm3左右，約為不銹鋼和鈷基合金的一半，接近人體硬組織，且其生物兼容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優于不銹鋼和鈷基合金，為目前已知生物兼容性最佳的金屬生醫材料，其中又以Ti-6A1-4V鈦合金獲得最多的生醫材料應用。在植入人體后，其生成在其表面得氧化鈦(TiO2)具有誘導體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現出一定的生物活性和骨結合能力，適合作為骨內埋植物。可惜的是，Ti-6A1-4V表面生成的氧化層(TiO2+Al2O3)為不均質且具多孔性，氧化層和晶粒易破裂及剝落，產生嚴重氧化磨耗及剝層磨耗。故而，相較于不銹鋼與鈷基合金，Ti-6A1-4V鈦合金顯示出的強度不夠以及磨耗阻抗能力不佳等缺點。此外，Ti-6A1-4V鈦合金和骨骼的楊氏模量分別為116GPa與30GPa，兩者之楊氏模量差距容易引發應力遮蔽效應。

由上述說明可知，現有的合金生醫材料于實務應用上存在著以下缺陷：