一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，包括以下步驟：鎂合金預(yù)處理：依次包括打磨、拋光、清洗和吹干；離子注入：將處理后的鎂合金放入離子注入機腔室中，并抽至真空；離子源預(yù)熱10min后，設(shè)置注入劑量并打開引出電源，調(diào)節(jié)引出電壓，向其表面進行離子注入；其中注入方式為：先注入釓離子后注入釹離子；釓離子注入劑量為2.5×1016~1×1017ions/cm2，釹離子注入劑量5×1016~1.5×1017ions/cm2；后處理：將離子注入后的鎂合金進行清洗，再吹干保存。本發(fā)明提供的延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，工藝簡單，對環(huán)境無污染，能有效減緩鎂合金在體內(nèi)的降解速度，延長鎂合金醫(yī)療植入器材的服役壽命，對人體無害，具有較好的生物相容性，擴大鎂合金的應(yīng)用范圍。
【專利說明】一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，屬于金屬表面改性【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]由于鎂合金優(yōu)異的生物相容性，及其彈性模量等綜合力學(xué)性能與人體骨骼接近，因此鎂合金在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到人們越來越多的關(guān)注。但是鎂合金化學(xué)活性高，極易在生理環(huán)境中快速降解，這嚴重地阻礙了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的發(fā)展與應(yīng)用。因此，有效控制鎂合金的降解速率對擴大鎂合金醫(yī)學(xué)應(yīng)用具有重要作用。
[0003]常見的鎂合金表面改性技術(shù)主要有合金化、化學(xué)轉(zhuǎn)化、氣相沉積、陽極氧化、電鍍、激光表面處理及離子注入等，其中，合金化是目前改善鎂合金降解行為的主要措施，但合金化過程中需要消耗不少的稀土金屬。離子注入是改善金屬耐磨、耐蝕及抗氧化等表面性能的重要手段，該工藝耗材量小，工藝過程不受常規(guī)熱力學(xué)條件限制，可精確控制注入元素的劑量和能量，且注后的部件尺寸基本不發(fā)生變化，改性層也不存在突變界面和膜層脫落問題。
[0004]經(jīng)現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢 索發(fā)現(xiàn)，盡管用于鎂合金改性的注入元素已有很多種，如Al、T1、Ta、Ce、Zr等，而有關(guān)Gd、Nd等稀土元素離子注入鎂合金的研究尚未見報道。到目前為止，國內(nèi)外對鎂合金共注方面的研究也大多僅限于金屬-氣體元素的共注研究，如Ti/N(劉洪喜，孟春蕾，林波，等.氮鈦雙離子注入AZ31鎂合金的抗腐蝕和力學(xué)性能[J].材料熱處理學(xué)報，2011，32(8):137-141)、Ti/0(Y Zhao, G.S ffu, Q.Y Lu, et al.1mproved surfacecorrosion resistance of WE43 magnesium alloy by dual titanium and oxygen ionimplantation [J].Thin Solid Films, 2013, 529:407- 411)等，而對于鎂合金的金屬-金屬元素，特別是稀土金屬-稀土金屬元素共注的工藝研究尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，使用該方法可以有效減緩鎂合金的降解行為等，擴大鎂合金的應(yīng)用范圍。
[0006]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于，包括以下步驟:
離子注入:將干凈的鎂合金放入離子注入機腔室中，并抽至真空；離子源預(yù)熱IOmin后，設(shè)置注入劑量并打開引出電源，調(diào)節(jié)引出電壓，向其表面進行離子注入；隨著注入劑量增加，注入層會逐漸增厚，至注入劑量達到飽和值，其中注入方式為:先注入釓離子后注入釹離子；釓離子注入劑量為2.5X1016~lX1017ionS/Cm2，釹離子注入劑量5X1016~1.5 X 1017ions/cm2。
[0007]作為優(yōu)選方案，所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述離子注入之前還包括鎂合金預(yù)處理步驟:依次包括打磨、拋光、清洗和吹干； 離子注入后還包括后處理:將離子注入后的鎂合金進行清洗，再吹干保存。
[0008]作為優(yōu)選方案，所述的打磨是依次用280目、400目、800目和1000目的金相砂紙打磨鎂合金表面，去除表面污染物；和/或，所述的拋光是用MgO作拋光劑，將其拋光至鏡面；和/或，所述的清洗是在乙醇中超聲清洗IOmin ;和/或，所述的吹干是采用冷風(fēng)吹干。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述的鎂合金為鎂鋁鋅系鎂合金、鎂鋅系鎂合金、稀土系鎂合金中的一種。
[0010]作為優(yōu)選方案，所述鎂鋁鋅系鎂合金為AZ31鎂合金或AZ91鎂合金；和/或，鎂鋅系鎂合金為Mg-Zn鎂合金或ZK60鎂合金；和/或，稀土鎂合金為Mg-2.0Nd-0.3Sr_0.4Zr鎂
I=1-Wl O
[0011 ] 作為優(yōu)選方案，所述抽至真空為腔室的真空度≤2 X 10?,和/或，所述的調(diào)節(jié)引出電壓為60kV。
[0012]作為優(yōu)選方案，所述的清洗是在蒸餾水中超聲清洗5min，和/或，所述的吹干是采用冷風(fēng)吹干。
[0013]有益效果:本發(fā)明提供的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，工藝簡單，注入離子為釓與釹，因為釓、釹本身具有優(yōu)異的耐蝕性能，且釓、釹元素可細化鎂合金晶粒，對改善其力學(xué)性能和降解行為有重要作用；更重要的是，釓、釹元素對人體無害，具有較好的生物相容性，且釓元素對血管有擴張作用，釹元素能夠保持細胞毒性處于較低水平；對環(huán)境無污染，能有效地減緩鎂合金在體內(nèi)的降解速度，延長鎂合金醫(yī)療植入器材的服役壽命，且降解過程析出的 注入離子具有積極的藥理作用，這將大大拓寬鎂合金在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用范圍；另外該方法比傳統(tǒng)合金化工藝消耗更少的稀土元素，節(jié)約了稀土資源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明中的釓、釹離子共注AZ31鎂合金在模擬體液中的極化曲線圖；
其中，(a)曲線:未注入禮、釹離子；(b)曲線:先注入禮離子2.5X 1016ions/cm2Gd后注
入欽離子 5 X 1016ions/cm2Nd。
【具體實施方式】
[0015]下面是不同注入劑量的釓、釹離子共注到鎂鋁鋅系鎂合金(AZ31、AZ91)、鎂鋅系鎂合金(Mg-Zn、ZK60)、稀土系鎂合金(Mg-2.0Nd-0.3Sr_0.4Zr)中的幾個實施例，以便為本技術(shù)方案作進一步的描述。
[0016]實施例1
以AZ31鎂合金作為基材，其成分為:A13%，Znl%，其余為Mg。延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法為:先將AZ31鎂合金表面依次用280、400、800和1000目的金相砂紙打磨，去除表面污染物，并拋光至鏡面；再用乙醇超聲清洗，冷風(fēng)吹干；然后放入離子注入機的真空室中，待真空度抽至2X KT3Pa以下，向其表面先注入釓離子后注入釹離子，注入溫度為室溫，引出電壓為60kV，注入劑量為釓離子2.5 X 1016ions/cm2,釹離子5 X 1016ions/cm2 ;注入結(jié)束后，充氣，取出試樣，清洗并吹干。試樣在模擬體液(SBF)中的極化曲線測試表明(如圖1所示)，AZ31鎂合金釓、釹離子共注后，腐蝕電壓升高到-1.35V，腐蝕電流密度降低為6.39父10_1/(^2，與基材相比，注入后的4231鎂合金的腐蝕電壓升高了 0.24V，腐蝕電流密度降低了一個數(shù)量級多，說明共注2.5X 1016ions/cm2Gd+5X 1016ions/cm2Nd的禮、釹離子較大地減緩了 AZ31鎂合金在生理環(huán)境中的降解速度。
[0017] 實施例2
以AZ91鎂合金作為基材，其成分為:A19%，Znl%，其余為Mg。釓、釹離子共注過程與實施例I相同，不同的是注入劑量為2.5X1016ions/cm2Gd+lX1017ions/cm2Nd。試樣在模SBF中測得腐蝕電壓為-1.44V，高出基體0.1V，腐蝕電流約為1.52X 10_5A/cm2，比基體低近一個數(shù)量級，說明共注2.5 X 1016ions/cm2Gd+l X 1017ions/cm2Nd的釓、釹離子后，AZ91鎂合金的降解行為得到較大緩解。
[0018]實施例3
以Mg-Zn鎂合金作為基材，其成分為:Zn5.6%，其余為Mg。釓、釹離子共注過程與實施例1相同，不同的是注入劑量為禮離子5X 1016ions/cm2,釹離子1.5X 1017ions/cm2。共注后的Mg-Zn鎂合金在SBF中的腐蝕電壓基本不改變，腐蝕電流密度降為5.13X 10_5A/cm2，減少了7倍左右，說明Mg-Zn鎂合金經(jīng)5X 1016ions/cm2Gd+l.5X 1017ions/cm2Nd的釓、釹離子共注后，其降解速度得到降低。
[0019]實施例4
以ZK60鎂合金作為基材，其成分為:Zn5.5%，Zr0.45%，其余為Mg。釓、釹離子共注過程與實施例1相同，不同的是注入劑量為釓離子5X 1016ionS/cm2Gd，釹離子I X 1017ions/cm2Nd。試樣在SBF中的極化曲線測試表明，釓、釹離子共注ZK60鎂合金后，腐蝕電壓升高到-1.4V，腐蝕電流密度降低為4.55X 10_6A/cm2，與基材相比，注入后的ZK60鎂合金的腐蝕電壓升高了 0.07V，腐蝕電流密度降低約5倍，說明共注5X1016ions/cm2Gd+lX1017ions/Cm2Nd的禮、釹離子后，ZK60鎂合金降解行為有一定減慢。
[0020]實施例5
以Mg-2.0Nd-0.3Sr-0.4Zr鎂合金作為基材，其成分為:Nd2%，Sr0.3%，Zr0.4%，其余為Mg。釓、釹離子共注過程與實施例1相同，不同的是注入劑量為釓離子lX1017ionS/cm2Gd，釹離子IXlO17 ions/cm2Nd。試樣在SBF中的耐蝕性測試表明，Mg-2.0Nd-0.3Sr_0.4Zr鎂合金共注釓、釹離子后，腐蝕電壓升高了 0.12V，腐蝕電流密度減小為2.23X10_5A/cm2，降低了近一個數(shù)量級，說明共注lX1017iOnS/Cm2Gd+lX1017ionS/Cm2Nd的釓、釹離子后，Mg-2.0Nd-0.3Sr-0.4Zr鎂合金的降解速度得到減緩。
[0021]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于，包括以下步驟: 離子注入:將干凈的鎂合金放入離子注入機腔室中，并抽至真空；離子源預(yù)熱IOmin后，設(shè)置注入劑量并打開引出電源，調(diào)節(jié)引出電壓，向其表面進行離子注入；隨著注入劑量增加，注入層會逐漸增厚，至注入劑量達到飽和值，其中注入方式為:先注入釓離子后注入釹離子；釓離子注入劑量為2.5X1016~lX1017ionS/Cm2，釹離子注入劑量5X1016~1.5 X 1017ions/cm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述離子注入之前還包括鎂合金預(yù)處理步驟:依次包括打磨、拋光、清洗和吹干； 離子注入后還包括后處理:將離子注入后的鎂合金進行清洗，再吹干保存。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述的打磨是依次用280目、400目、800目和1000目的金相砂紙打磨鎂合金表面，去除表面污染物；和/或，所述的拋光是用MgO作拋光劑，將其拋光至鏡面；和/或，所述的清洗是在乙醇中超聲清洗IOmin ;和/或，所述的吹干是采用冷風(fēng)吹干。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述的鎂合金為鎂鋁鋅系鎂合金、鎂鋅系鎂合金、稀土系鎂合金中的一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述鎂鋁鋅系鎂合金為AZ31鎂合金或AZ91鎂合金；和/或，鎂鋅系鎂合金為Mg-Zn鎂合金或ZK60鎂合金；和/或，稀土鎂合金為Mg-2.0Nd-0.3Sr-0.4Zr鎂合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述抽至真空為腔室的真空度≤2 X 10_3Pa，和/或，所述的調(diào)節(jié)引出電壓為60kV。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種延緩生物醫(yī)用鎂合金降解速率的表面改性方法，其特征在于:所述的清洗是在蒸餾水中超聲清洗5min，和/或，所述的吹干是采用冷風(fēng)吹干。
【文檔編號】C23C14/16GK103526174SQ201310447446
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】王章忠, 陶學(xué)偉, 王強, 巴志新, 章曉波 申請人:南京工程學(xué)院, 江蘇康尚醫(yī)療器械有限公司