本发明涉及生物金属材料领域，具体涉及一种可控降解镁合金材料的制备方法。
背景技术：
1、在胃肠吻合术中，使用吻合器可缩短胃肠吻合术的手术时间、减少术后并发症，减轻患者的痛苦。但目前手术常用的外科缝合钉产品不能降解会在人体中永久存在，容易引发过敏反应、异物反应和组织粘连等不良反应。镁及镁合金以其良好的生物相容性和力学性能，以及可在人体环境中降解吸收等特点，被认为是可降解吻合钉材料的潜在候选者之一。胃肠道吻合术术后完全愈合一般需要30～40天，从组织学上讲胃肠道愈合过程大致分为三个阶段，术后早期(1～3天)为力学愈合阶段，中期(4～15天)为生化学愈合阶段，后期(15天后)伤口成熟阶段。在力学愈合阶段，即从胃肠组织被切开开始，便引起伤口处组织的炎症反应，清除伤口周围的微生物。同时，巨噬细胞诱导淋巴细胞释放白细胞介素和干扰素，产生血管内皮生长因子来促进血管生成，伤口开始愈合。此时伤口主要依靠吻合钉提供力学支持。生化学愈合阶段，血管周围的间质细胞分泌伤口愈合所需的基质和营养物质，成纤维细胞和平滑肌迁移到伤口处，吻合大约2周后纤维细胞增殖达到最高峰，生成新的毛血细管，伤口的抗张力迅速提高。术后伤口成熟阶段，伤口处的结缔组织逐渐成熟，巨噬细胞和成纤维细胞在伤口处减少，肠道上皮层基本恢复，伤口的抗张力进一步加强，术后3周后伤口处的抗张力大约恢复到最初的70％。
2、胃肠道在不同愈合阶段对植入吻合钉的力学需求不同，因此对植入吻合钉提出了可控降解的要求，即要求其能够在受伤组织愈合早期缓慢降解以提供足够的力学支撑；在植入中期以适当速率均匀降解，通过释放有益离子促进伤口处内皮细胞增殖、合成和新血管的形成，使得伤口具有一定的压力承受能力；植入后期伤口形态学上的愈合已经完成，需要吻合钉以适当的速度快速均匀降解，避免因植入吻合钉残留导致的直肠前切除综合征等副作用的发生。
3、此外，临床研究发现，结直肠切除术后吻合口漏发生的概率为3％～20％，低位直肠或结肠肛门吻合口漏的发生率更是高达24％。吻合口漏导致的严重腹膜炎甚至可能威胁生命。导致吻合口漏的因素有：手术吻合技术，吻合口局部感染和吻合后张力过大等。其中，局部感染是引起吻合口漏最常见的因素之一，且会影响到胃肠吻合术后中晚期的愈合。研究发现粪肠球菌、铜绿假单胞菌和黏质沙雷菌等人体肠道内的共生菌会因吻合术后炎症反应制造出的炎性环境转变为高毒性表现型的致病菌，通过产生蛋白酶溶解细胞外基质，从而导致吻合口漏发生。因此，抑制吻合口处部分菌群能够显著降低吻合口漏发生率。
4、上述问题对体内吻合钉植入物提出了可控降解以及对抗局部感染要求，即要求植入物能够在受伤组织愈合早期缓慢降解以提供足够的机械支持，中期均匀降解促进组织愈合，后期均匀快速降解，实现降解速率与组织愈合速率相匹配，组织完全愈合时植入物降解完毕。且在伤口的愈合过程中，可以抑制吻合口处部分菌落避免发生吻合口漏。
5、已公开的中国发明专利“一种生物可降解抗菌镁合金吻合钉及其制备方法”(公开号：cn 117018300 a)，在mg-xca-ym丝材表面通过浸渍、喷涂或水热合成法制得生物多糖类及其衍生物和黑磷混合涂层，来获得具有抗菌性和耐酸碱性的镁合金丝材。但是在涂层制备过程中应用到n-二甲基甲酰胺有机溶剂，该溶剂有毒长期接触则会对神经、肝及皮肤造成影响，甚至致癌。该涂层的制备过程不符合现在市场追求的绿色环保。并且吻合钉在使用时尾部受力弯曲，吻合钉表面的涂层容易隆起甚至破裂失效，该专利未考虑到涂层在受力时与基底剥离的问题。
6、中国发明专利《一种镁合金表面涂层材料及其应用》(申请公布号为cn114481074a)，在氩气气氛下，通过磁控溅射镀膜设备在镁合金沉积dlc涂层，然后将涂层材料退火后放入离子注入设备中进行钛元素注入，来提高医用镁合金在模拟体液中的耐蚀性能。该专利通过2次沉积制备耐蚀涂层，生产成本高、生产效率慢、操作复杂，且制备的镁及镁合金降解速率单一，不能满足人体植入对植入器件分级降解的需求。需要研发出一种操作步骤简单且可以实现镁及镁合金分级降解的离子注入表面改性工艺技术。
7、中国发明专利《一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法》(申请公布号为cn114369808a)，利用双层辉光等离子渗镀设备在镁/镁合金基体表面沉积cu元素，使合金表面扩散层中mg2cu梯度分布，实现cu离子梯度释放来解决术后早期感染和迟发性感染等不同阶段的感染。高温是双层辉光等离子渗镀技术的特点之一，适合于像铁基这类高熔点金属表面合金化的工艺技术。而镁及镁合金熔点低，在这种高温下基底结构性能容易发生改变。若进行较低温度溅射时，往往渗镀效果较差，渗层较薄，一般在合金表面形成沉积层和较薄的扩散层。而较薄的cu离子扩散层抑制微生物感染的能力有限。
8、用于调控医用镁合金吻合钉降解行为并赋予其生物医学功能的方法有表层剧烈塑性变形、表面涂层制备等。然而，镁合金严重塑性变形工艺对镁及镁合金腐蚀行为的影响仍然存在较大争议，需要探索工艺参数来达到最佳降解速率和力学性能。涂层是表面改性常用方法之一，目前用于吻合钉表面的涂层制备方法主要有浸渍、喷涂或水热合成法等。然而上述方法存在与基底的界面粘结性能差，在应力下剥落和降解的问题待解决。此外，由于有机溶剂的添加，长期接触易对神经、肝及皮肤等造成不良影响，且该涂层通过溶液介质进行制备，不符合现在市场追求的绿色环保生产。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状提供一种可控降解镁合金材料的制备方法，该方法步骤简单，制备的镁合金材料可降解、抗菌性能好并用于胃肠吻合钉领域，符合体内植入对医用金属材料可控降解的要求。
2、本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
3、步骤一、清洗：将镁合金用磷酸溶液去除表面氧化膜后超声清洗；
4、步骤二、合金熔炼：惰性气氛保护下熔化步骤一清洗后的镁合金得到熔融合金，冷却得到铸态镁合金；
5、步骤三、挤压态合金制备：先将步骤二获得铸态合金进行均匀化热处理，挤压制得挤压态镁合金；
6、步骤四、丝材制备：对步骤三得到的挤压态合金进行退火，然后进行多道次拉拔，获得镁合金丝材；
7、步骤五、离子注入：切取丝材，研磨并清洗丝材，在配备铜阴极电弧源的金属离子注入机上进行铜离子注入，得到可控降解镁合金材料；所述可控降解镁合金材料表面具有改性层，所述改性层自表面向内依次设有结构缺陷层、纳米细晶层和应变粗晶层。
8、cu2+的浓度在65～650mg/l范围即可以杀死99％金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，并对成纤维细胞无细胞毒性。cu2+浓度≥10-5mol/l时，对铜绿假单胞菌和粪肠球菌有杀菌作用。因此若在胃肠吻合钉中引入cu元素，使其在伤口愈合过程中释放cu离子，可以大大降低因铜绿假单胞菌和粪肠球菌等肠道常见菌造成局部感染而导致的吻合口漏发生率
9、优选地，所述步骤五中铜离子注入的镁合金丝材放置于金属离子注入机的水冷靶，离子注入角度为7～10°，加速电压为40～50kv，真空室压强为2.0～6.0×10-4pa，注入束流为1.0～2.0ma；所述铜离子注入剂量为0.8～3×1017ion/cm2。
10、将丝材放置在水冷靶上是为了保证试样沉积温度相对较低，避免了在离子注入过程中因温度过高而引起试样基底结构性能的改变。
11、离子倾斜注入角度是为了使离子的入射方向与晶格沟道不对齐，减少沟道效应，使离子注入的深度均匀。若倾角过大，离子被部分遮挡，形成较大的阴影区，造成实际注入区域与设计区域有一定的偏差。如果倾角过小，不能很好解决沟道效应，还易造成双峰分布。避免沟道效应常见的做法是将注入角度设为晶面法线的7～10°之间，这有助于打乱离子的路径，减少离子沿通沟穿透的概率，保证离子注入的深度和减少离子注入的阴影效应。
12、加速电压决定注入离子分布深度和形状，随着注入加速电压的加大，离子注入深度不断增加，但注入轨迹分散趋势随加速电压增大而减小。考虑到离子注入均匀性，选择镁合金表面注入深度在1～3μm，即加速电压在40～50kv之间最合适。
13、整个离子注入过程必须在高真空状态下进行以减少带电离子和中性气体分子沿离子轨迹发生碰撞的概率。碰撞将引起离子的散射和损失，并且离子与中性原子间的电荷交换过程中会产生不需要的离子，造成射线污染。为了避免射线污染，真空度应该达到10-4pa量级。如果真空度过低，一方面会导致注入机的束流比较小，致使注入的速度降低；另一方面，将导致离子流的聚焦不好，注入的纯度达不到要求，导致离子注入深度的均匀性变差。真空度越高，电子束的行径越直，达到样品表面的能量越高，但是能量越高时，注入深度越深，意味着注入浓度就会较小。实验探索发现真空室的最佳压强为2.0～6.0×10-4pa。
14、注入束流决定扫描时间，电流增大，扫描时间缩短，产能增大，单位时间内注入的杂质原子数量也增多，导致注入均匀性变差。电流过小，注入速率过低，影响注入效率。实验结果表明，适宜的注入速流范围是1.0～2.0ma。
15、注入剂量是样品表面单位面积注入的离子总数，单位是离子每平方厘米。注入剂量公式计算为：
16、
17、其中i是束流，单位是安培，t是注入时间，单位是秒，q是电子电荷，等于1.6×10-19，n是每个离子的电荷数，a是注入面积，单位是cm2。
18、注入剂量决定注入深度，当注入超过某一剂量会使基底产生空位和填隙原子等点缺陷，点缺陷重新组合形成位错等缺陷。当高能离子注入到合金表面，引起基体表面的晶格畸变，阻碍位错的运动，从而使合金得到强化。实验发现，当离子注入超过某一定值后，镁合金的表面硬度不再持续单调增大，而是呈现先减小后增大的趋势。此外，过量的离子注入会造成更多的表面缺陷问题。离子注入产生的溅射效应会改变镁合金表面的粗糙程度。实验结果表明，镁合金表面的粗糙程度会随着注入剂量的增加呈现先减小后增大的趋势。通常来说，合金的表面越平整，其耐腐蚀性和机械性能就越好。为了获得最佳耐蚀性能和力学性能的镁合金，最适宜的cu注入剂量为0.8～3×1017ion/cm2。
19、优选地，所述步骤一去除表面氧化膜采用体积分数为5-8％的磷酸溶液酸洗。
20、优选地，所述步骤三的挤压温度为200～250℃，挤压速度为9-11mm/s；挤压比为54:1～64:1。该挤压温度能够极大程度防止变形过程中的动态再结晶使得晶粒粗大，大挤压比有利于塑性变形强化。
21、优选地，所述步骤一的镁合金为mg、mg-zn，mg-mn和mg-zn-mn合金的一种或多种。
22、优选地，所述镁合金的mg元素的含量≥98wt.％。
23、优选地，所述步骤二为：使用感应炉和石墨坩埚在co2和sf6保护下熔化步骤一清洗后的镁合金得到熔融合金；将熔融合金倒入干燥且内壁涂有bn涂料的低碳钢模具中，冷却得到铸态镁合金。低碳钢为碳含量低于0.25％的碳素钢。
24、为了实现镁合金材料表面的梯度结构使其分级降解，优选地，所述可控降解镁合金材料表面具有改性层，所述改性层自表面向内依次设有结构缺陷层、纳米细晶层和应变粗晶层。改性层的厚度为1.5～2.1μm；改性层的最表层区域是深度约为50～80nm的结构缺陷层，次表层区域为约550～620nm厚的纳米细晶层，最内层为粗晶应变层，该区晶粒尺寸相对较大，存在许多细小析出相和位错。最表层区域由于离子注入产生的结构缺陷会加速降解，又因为离子注入使得表层cu元素均匀分布显著抑制了电偶腐蚀，使得降解模式为均匀腐蚀。
25、优选地，所述结构缺陷层的厚度为50～80nm；所述纳米细晶层的厚度为550～620nm；所述应变粗晶层的厚度为870～1430nm。该厚度范围的结构缺陷层是最佳厚度选择，它不仅保证在浸泡初期，最表层区域均匀释放较多的cu离子，显著抑制手术前期的细菌感染，避免吻合手术中口漏的发生，同时避免植入物过多降解不足以提供足够的力学支持。纳米细晶层由于纳米结构和较低的相界面提高了合金的耐蚀性，同时表层的cuo、mgo等耐蚀性优异的物质形成抑制腐蚀的屏障，保证在植入中期，缓慢降解以提供伤口愈合所需的力学支持；550～620nm厚的次表层区域的降解周期完美匹配胃肠吻合术后愈合中期阶段。
26、优选地，所述结构缺陷层的晶粒尺寸为500～580nm；纳米细晶区的晶粒尺寸为250～300nm；应变粗晶区的晶粒尺寸为600～750nm。应变粗晶层晶粒尺寸相对较大，存在许多细小析出相和位错；平均应变积累更高，但不同晶粒之间的应变差异缩小，因此应变粗晶层区域会在植入后期以更大更均匀的降解模式进行降解，实现在植入后期以适宜的速率快速降解，避免植入物的残留导致发炎、伤口瘢痕等副作用。
27、优选地，所述步骤四的退火温度为280-300℃。
28、与现有技术相比，本发明的优点在于：
29、①添加铜元素可以细化镁合金微观结构，增强机械性能、改善镁合金的降解行为；此外，cu元素还是伤口愈合的重要因素，促进、诱导血管生成，刺激内皮细胞增殖；而且cu元素还具有优异的抗菌性能，从而使制备得到的镁合金材料避免因铜绿假单胞菌和粪肠球菌等胃肠道常见菌感染而导致胃肠道吻合手术吻合口漏的风险。
30、②离子注入可以将有利铜元素引入试样表层使植入器械在组织愈合期间提供完整的力学支撑，离子注入会使镁合金最表层形成结构缺陷，结构缺陷层的cu离子在前期快速均匀释放，而较纳米细晶层由于离子注入形成氧化铜等，抑制腐蚀从而减少降解速度，使其降解速率低于最表层的结构缺陷层和更内层的应变粗晶层，满足体内植入对医用金属材料可控降解的要求，即要求其能够在受伤组织愈合前提供足够的机械支持和抗菌性能，在愈合中期适当均匀缓慢降解，而在愈合后期以适当快的速率降解以避免诱发炎症等副作用。
1.一种可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤五中铜离子注入的镁合金丝材放置于金属离子注入机的水冷靶，离子注入角度为7～10°，加速电压为40～50kv，真空室压强为2.0～6.0×10-4pa，注入束流为1.0～2.0ma；所述铜离子注入剂量为0.8～3×1017ion/cm2。
3.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一去除表面氧化膜采用体积分数为5-8％的磷酸溶液酸洗。
4.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三的挤压温度为200～250℃，挤压速度为9-11mm/s；挤压比为54:1～64:1。
5.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一的镁合金为mg、mg-zn，mg-mn和mg-zn-mn合金的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述镁合金的mg元素的含量≥98wt.％。
7.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二为：使用感应炉和石墨坩埚在co2和sf6保护下熔化步骤一清洗后的镁合金得到熔融合金；将熔融合金倒入干燥且内壁涂有bn涂料的低碳钢模具中，冷却得到铸态镁合金。
8.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述结构缺陷层的厚度为50～80nm；所述纳米细晶层的厚度为550～620nm；所述应变粗晶层的厚度为870～1430nm。
9.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述结构缺陷层的晶粒尺寸为500～580nm；纳米细晶区的晶粒尺寸为250～300nm；应变粗晶区的晶粒尺寸为600～750nm。
10.根据权利要求1所述的可控降解镁合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤四的退火温度为280-300℃。
