一种磁兼容的β型生物医用锆合金及其制备方法和应用

本发明属于金属材料领域，涉及锆基生物医用合金，具体涉及其制备方法一种磁兼容的β型生物医用锆合金及其制备方法和应用。

背景技术：

1、核磁共振成像mri(magneticresonanceimaging)一种新型的医疗成像技术。物质中氢原子的质子(1h)在外加磁场作用下与一定频率的射频产生共振现象，取消射频后，质子在回复至初始状态的过程中产生微弱的射电信号，不同组织的1h会产生不同的射电信号，采集运用这些射电信号进行立体成像的技术就叫做磁共振成像。磁场强度越高则mri的分辨率越高，近年来“先进磁共振成像系统的电工理论与关键技术”研究是工程与材料学部的重大项目之一，该研究旨在解决超高磁场下mri系统的磁体性能退化等问题并确保先进mri技术的自主可控。

2、在超高磁场下，生物医用植入物的磁化率显得尤为关键，强烈的磁场会使金属植入物产生三个不利的影响:①位移错动；②发热影响周围组织；③成像时产生伪影。伪影面积与植入物和人体组织(-10～-7×10-6)之间的磁化率差有关系，磁化率差越大，则伪影面积越大。zr(109×10-6)拥有比目前常用的纯ti(170×10-6)、ti-6al-4v(179×10-6)、不锈钢(3520～6700×10-6)和co-cr(960×10-6)合金更低的体积磁化率。此外，对zr而言，其相组成与磁化率(χ)密切相关，通常而言χω＜χα＜χβ。

3、β型钛基金属材料由于弹性模量低，在生物医用金属基植入物领域应用较为广泛。但是，随着强磁场mri的普及，β型钛基金属材料由于磁化率较高，在强磁场下成像时将会产生伪影。所以，开发一种具有低磁化率，且拥有较低弹性模量的新型金属基生物医用材料成为该领域的一个研究热点。

4、β-zr拥有比β-ti更低的质量磁化率，同时拥有不输于钛合金的机械性能、耐蚀性能以及生物相容性。目前已有报道的磁化率较低的β-zr，其磁化率高于α-zr和ω-zr，使其在mri下会产生更大的伪影。关于mri中的锆合金研究主要集中在磁化率较低的α型合金或者α+ω型合金，而β-zr由于磁化率较高，因此相关报道较少。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种磁兼容的β-zr型生物医用合金，以克服现有磁化率较高的生物医用合金在强磁场诊断中产生伪影的问题。其具有良好的生物相容性，良好的机械性能与耐蚀性，同时拥有较低的磁化率和弹性模量。

2、本发明为了实现其目的，所采用的技术方案如下：

3、一种磁兼容的β-zr型生物医用合金，所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.0～23.0％，铜2.8～15.2％，余量为锆和不可避免的杂质。

4、优选地，所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜3.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质。

5、优选地，所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜6.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质；优选铌22％，铜6.0-15.0％。

6、优选地，所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜10.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质；优选铌21.5～22.5％，铜13.0-15.0％；进一步优选为铌22.0％，铜15.0％；

7、所述生物医用合金的质量磁化率为0.95～1.70×10-6cm3g-1，体积磁化率为77～138×10-6，弹性模量为68.8～82.9gpa。

8、上述任一项所述的磁兼容β-zr型生物医用合金的制备方法，包括如下步骤：

9、(1)原料称重：取原料zr、nb和cu，依据重量百分比进行称重配料；

10、(2)合金熔炼：熔炼温度2700～3000℃，熔炼设备中充入惰性气体，使铸锭在保护气氛下熔炼，随后淬火即得。

11、所述原料为海绵锆、铌块和铜块，且所述原料的纯度均在99.0wt％以上。

12、优选地，采用难熔金属悬浮熔炼设备进行熔炼，调节熔炼设备的真空度为4×10-3mpa，为保证成分均匀，铸锭被反复翻转重熔至少三次；采用难熔金属悬浮熔炼设备进行熔炼，熔炼温度2700～3000℃，调节熔炼设备的真空度为4×10-3mpa，并在氩气保护下熔炼，为保证成分均匀，铸锭被反复翻转重熔至少三次，随后将合金进行950～990℃淬火后水冷至室温即得。

13、本发明还提供了上述任一项所述的合金在制备生物医用植入物中的应用。

14、优选地，所述生物医用植入物为人体植入物，例如骨骼固定夹、头盖骨、髋关节、肩关节、膝关节、血管扩张器或心瓣膜等。

15、本发明采用向β型zr-nb合金中添加不同含量的β-zr偏析元素cu，对zr合金进行合金化，形成低磁化率的zr2cu第二相颗粒，以降低zr合金的磁化率。合金的磁化率大小根据经验公式χm＝χβvβ+χzr2cuvzr2cu进行评估，通过增大合金中cu元素的含量，从而增大合金中zr2cu的体积，从而降低合金的磁化率。

16、本发明的技术方案具有如下有益效果：

17、①发明的磁兼容β-zr型生物医用合金具备更低的磁化率(质量磁化率为0.95～1.70×10-6cm3g-1，体积磁化率为77～138×10-6)的同时保证了较低的弹性模量(68.8～82.9gpa)，以在mri诊断时匹配人体组织；②本发明的磁兼容β-zr型生物医用合金所选合金元素均为无细胞毒性元素，避免了对人体的伤害。③实验发现，铜元素添加量为15wt％时，该合金磁化率最低，具有成为磁兼容医用骨科植入物的潜力。④本发明制备的合金能够在具有更高磁场的mri中应用，弥补传统生物医用合金在生物医用领域性能的不足。

技术特征：

1.一种磁兼容的β-zr型生物医用合金，其特征在于：所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.0～23.0％，铜2.8～15.2％，余量为锆和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的磁兼容β-zr型生物医用合金，其特征在于：所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜3.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的磁兼容β-zr型生物医用合金，其特征在于：所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜6.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质；优选铌22％，铜6.0-15.0％。

4.根据权利要求3所述的磁兼容β-zr型生物医用合金，其特征在于：所述生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.5～22.5％，铜10.0-15.2％，余量为锆和不可避免的杂质；优选铌21.5～22.5％，铜13.0-15.0％；进一步优选为铌22.0％，铜15.0％。

5.根据权利要求1所述的磁兼容β-zr型生物医用合金，其特征在于：所述生物医用合金的质量磁化率为0.95～1.70×10-6cm3g-1，体积磁化率为77～138×10-6，弹性模量为68.8～82.9gpa。

6.根据权利要求1至5任一项所述的磁兼容β-zr型生物医用合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述原料为海绵锆、铌块和铜块，且所述原料的纯度均在99.0wt％以上。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：采用难熔金属悬浮熔炼设备进行熔炼，调节熔炼设备的真空度为4×10-3mpa，为保证成分均匀，铸锭被反复翻转重熔至少三次；采用难熔金属悬浮熔炼设备进行熔炼，熔炼温度2700～3000℃，调节熔炼设备的真空度为4×10-3mpa，并在氩气保护下熔炼，为保证成分均匀，铸锭被反复翻转重熔至少三次，随后将合金进行950～990℃淬火后水冷至室温即得。

9.权利要求1至5任一项所述的合金在制备生物医用植入物中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述生物医用植入物为人体植入物。

技术总结
本发明公开了一种磁兼容的β‑Zr型生物医用合金及其制备方法和应用，该生物医用合金的化学成分以重量百分比计算为：铌21.0～23.0％，铜2.8～15.2％，余量为锆和不可避免的杂质。本发明的β‑Zr型生物医用合金拥有比目前常用生物医用合金更低的磁化率，以及较低的弹性模量，且不存在生物毒性元素，能够更好地服务于更高磁场下的磁共振成像技术。

技术研发人员：邱日盛,周静,黄靖,陈哲宇,蔡晴,张佳烨,蔡爽,贺世强,谭希努
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8