CN108570578B - 孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法 - Google Patents

孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法，材料为纯锌或锌合金，表面及内部分布有互相连通的开孔，并且开孔的内径沿轴向或径向呈梯度分布；制备方法为：(1)准备造孔颗粒物，按粒径分成大孔、中孔和小孔颗粒；(2)将颗粒填充到石墨坩埚中，按所需的形状及开孔分布方式布置；(3)上面放置重物后烧结制成预制体；(4)放置纯锌或锌合金替换重物，真空熔化，熔体流入空隙；(5)通入氩气加压渗流；(6)将复合体中的预制体成分去除。本发明的锌材料其开孔结构互相连通，其孔隙率、孔径，开孔形状以及产品的腐蚀率可控，在孔径分布上呈现层状梯度分布和径向梯度分布的锌材料，几乎不存在闭孔以及造孔剂残留的现象。

Description

孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法。
背景技术
目前，生物医用金属材料可分为两类：一类为不可降解医用金属材料，主要包括：医用不锈钢、钛及钛合金、钴基合金、稀有难熔及贵金属、形状记忆金属等；另一类为可降解医用金属材料，主要包括：镁及镁合金、铁基合金等。
第一类材料虽然都具有较好的耐腐蚀性能，植入人体后能够长期保持稳定；但也带来了一些问题，例如需要二次手术取出，给患者带来了二次痛苦和经济负担；一些合金元素释放的金属离子也给人体带来潜在危害等不良影响。
第二类可降解医用金属材料中，目前临床上广泛研究和应用的主要包括两大类：镁与镁合金、铁与铁合金，但这两类生物合金也都存在着明显的自身缺陷；镁和镁合金最大的问题在于其降解速度过快并且降解过程中产生大量氢气，影响其生物相容性，因此影响到其在使用过程中的力学性能；而铁和铁合金降解速度又过慢，会引发一系列生物相容性问题；另外具有的铁磁性会严重影响医疗器械的成像效果。
金属锌的化学活性介于镁和铁之间，所以其腐蚀速率有望能够介于二者之间，从而可以制备降解速率适当的材料；此外锌是人体必须的微量元素之一，成人体内的锌含量为1.4～2.3g，健康成人每天锌的膳食许可量为15～40mg，因此锌作为可降解植入材料在降解速率的控制与生物安全性方面有一定的优势；而具有三维贯通网络结构的多孔生物材料，能够有效诱导骨组织生长和再生融入的特性，使骨植入体不发生松动和脱落，并且还具有体外运输的特征，通过对多孔材料孔隙控制，同时通过对多孔材料的孔隙控制可以调整植入体的力学性能，使其与自体骨力学性能匹配。
目前，多数的研究人员是采用粉末烧结技术制造多孔材料；在提高多孔材料孔隙率和渗透性的技术上，一般是采用的造孔剂；由于多数的造孔剂本身的颗粒形状并不均匀，因此在烧结后，是不能保证孔型的均匀性和孔隙的连通性的；另一方面对于真实骨的孔隙应该是呈现梯度变化的；然而，迄今为止，并没有关于多孔梯度锌生物材料作为骨组织替代材料的研究报道。
基于上述问题，需要一种新的造孔技术以及一种新的生物多孔材料，以便制造出具有优异力学性能，耐腐蚀性能以及对人体无害的可降解生物医用合金，并且实现对于多孔材料孔排列的梯度层次、孔隙率、孔型，以及孔的连通性可控的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料及其制备方法，通过调整锌合金的成分，并采用不同颗粒度填充烧结的方式，制备类似骨组织开孔梯度分布的多孔结构，同时具有高强度和高韧性、满意的耐蚀性能和良好生物相容性，
本发明的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为纯锌或锌合金；其中纯锌的成分按质量百分比含Zn 99.99％，锌合金的成分按质量百分比含Al 1～5％，Mg 0.01～3％，Ca 0.05～3％，Zr 0.05～0.2％，余量为Zn和不可避免杂质；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿轴向或径向呈梯度分布。
上述的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的压缩强度为5～20MPa，弹性模量为0.5～10GPa。
上述的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的互相连通的开孔是通过连通孔连通，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个。
上述的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的孔隙率在60～80％。
上述的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的开孔的内径沿轴向呈梯度分布时，分为沿轴线单向梯度分布和双向梯度分布。
本发明的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的制备方法按以下步骤进行：
1、准备造孔颗粒物，造孔颗粒物的粒径在0.5～6mm，并按粒径分类，分成大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒；所述的颗粒物为球形的硫酸钾颗粒、氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；所述的大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒的平均粒径比为(1.5～5):(1.2～3):1；
2、将大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒填充到石墨坩埚中，按生物医用锌合金材料所需的形状及开孔分布方式布置，构成堆积体；
3、在堆积体上放置重物，使堆积体的各颗粒处于受压状态；然后将石墨坩埚置于加热炉中，进行升温和烧结，烧结温度680～720℃，时间4～6h，烧结完成后空冷至室温，在石墨坩埚内获得由堆积体烧结形成的预制体；
4、取出所放置的重物，将纯锌或锌合金放置在石墨坩埚内的预制体上，然后将石墨坩埚置于真空条件下，通过真空泵控制真空度为0.015～2Pa，再升温至580～620℃使纯锌或锌合金完全熔化，形成熔体并流入预制体的空隙中；其中纯锌或锌合金的用量按熔化并流入空隙后熔体液面封盖预制体为准；
5、当纯锌或锌合金完全熔化后，关闭真空泵并保温20～50min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.4～0.8MPa，加压时间3～5min；加压完成后熔体随炉冷却至≤400℃，最后空冷至室温，制成复合体；
6、将复合体中的预制体成分去除，制成孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料。
上述的步骤6中预制体成分去除的方法为：用水冲洗复合体，清除或溶掉预制体成分，然后置于去离子水中，在超声条件下清洗15～30min，进一步去除残留物，再置于无水乙醇中，在超声条件下清洗20～50min，最后取出风干或烘干。
上述的堆积体为圆盘状或圆柱状，堆积的大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒分别构成大孔区、中孔区和小孔区；当堆积体为圆盘状时，大孔区、中孔区和小孔区按从中心到边部或从边部到中心的次序排布，任意两个区的宽度之比在0.5～2之间；当堆积体为圆柱状时，大孔区、中孔区和小孔区按从上到下或从下到上的次序排布，任意两个区的厚度之比在0.5～2之间。
上述的步骤3中，放置重物是先在堆积体上放置垫片，然后放置重物压在垫片上，所述的垫片及重物的材质为纲，所述的重物质量为步骤4中纯锌或锌合金质量的0.5～2倍。
上述的锌合金是采用金属锌、金属镁、金属铝、镁钙合金和铝锆合金为原料，经熔炼制成。
本发明的方法制备的锌材料其开孔结构互相连通，其孔隙率、孔径，开孔形状以及产品的腐蚀率可控；开孔的排列能够按照骨组织真实情况呈梯度形式排列；孔隙结构三维连接良好，与人体骨骼松质骨的孔隙率和孔隙结构匹配程度较高；采用预制体层状分层和径向分层烧结的方法，通过改变对预制体不同部分颗粒大小，实现孔径呈层状梯度、径向梯度分布预制体的制备，通过对梯度颗粒预制体的“反向复制”，得到在孔径分布上呈现层状梯度分布和径向梯度分布的锌材料，几乎不存在闭孔以及造孔剂残留的现象。
本发明采用真空-正压渗流铸造方法，能够通过对工艺参数的调整达到特定部位骨骼孔隙率的要求，在渗流铸造过程中，保持预制体内部处于负压状态，是保证充型过程能够顺利进行的必要条件，只有在一定的负压下，锌液能顺利充分渗入，获得结构完整的复合体；通过逐次清洗可以达到减缓氯离子对锌基体的腐蚀，对产品的结构及性能的完整性起保护作用。
附图说明
图1为本发明实施例1中的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1中的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的实物图；
图3为本发明实施例3中的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的三维结构示意图；
图4为发明实施例3中的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的实物图。
具体实施方式
以下结合具体的实例对本发明进行详细的说明，以下实例在以本发明技术方案为前提的情况下进行实施，同时也有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例；对于本领域的技术人员，在不脱离本发明构思的前提下进行的若干变形和改变，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例中进行压缩性能测试是在万能试验机上进行，加载速度为1～1.5mm/min，测试温度为室温。
本发明实施例中测试腐蚀速率是在模拟体液中进行，模拟体液中NaCl浓度8g/L，KCl浓度0.4g/L，CaCl2浓度0.14g/L，NaHCO3浓度0.35g/L，葡萄糖浓度1g/L，MgSO4·7H2O浓度0.2g/L，KH2PO4浓度0.09g/L，Na2HPO4·12H2O 0.08g/L。
本发明实施例中具有梯度开孔结构的生物医用锌材料在模拟体液中的腐蚀速率为0.2～0.5mm/year。
本发明实施例中制备的具有梯度开孔结构的生物医用锌材料的直径为15～70mm，高度为10～100mm，制备完成后通过切割方式制成所需尺寸的产品，其中渗流时使用的金属超过熔体所需时，最后形成的无开孔部分切割去除。
本发明实施例中的具有梯度开孔结构的生物医用锌材料的杂质质量百分比≤0.01％，杂质包括Fe、Cu和/或Mn。
本发明实施例中采用的硫酸钾颗粒，氯化钙颗粒或氯化钠颗粒为市购产品。
本发明实施例中的锌合金是采用金属锌、金属镁、金属铝、镁钙合金和铝锆合金为原料，经熔炼制成。
本发明实施例中放置重物是先在堆积体上放置垫片，然后放置重物压在垫片上，所述的垫片及重物的材质为纲，所述的重物质量为步骤4中纯锌或锌合金质量的0.5～2倍。
本发明实施例中堆积体为圆盘状或圆柱状，堆积的大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒分别构成大孔区、中孔区和小孔区；当堆积体为圆盘状时，大孔区、中孔区和小孔区按从中心到边部或从边部到中心的次序排布，构成中心部分的圆形区和其他部分的环形区，任意两个区的宽度之比在0.5～2之间，其中中心部分的圆形区的宽度按直径计算；当堆积体为圆柱状时，大孔区、中孔区和小孔区按从上到下或从下到上的次序排布，构成多个圆柱区，任意两个区的厚度之比在0.5～2之间。
本发明实施例中，当堆积体为圆盘状时，大孔区、中孔区和小孔区的宽度为圆盘半径的1/2～1/20；当堆积体为圆柱状时，大孔区、中孔区和小孔区的厚度为圆柱高度的1/2～1/20。
本发明实施例中预制体成分去除的方法为：用水冲洗复合体，清除或溶掉预制体成分，然后置于去离子水中，在超声条件下清洗15～30min，进一步去除残留物，再置于无水乙醇中，在超声条件下清洗20～50min，最后取出风干或烘干。
本发明实施例中预制体成分去除时的超声频率为25kHz。
本发明实施例中纯锌或锌合金从开始加热到熔化的时间为70～80min。
实施例1
孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为锌合金，成分按质量百分比含Al1％，Mg3％，Ca 0.05％，Zr 0.2％，余量为Zn和不可避免杂质；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿轴向呈单向梯度分布，其压缩强度为20MPa，弹性模量为10GPa；其中互相连通的开孔是通过连通孔连通，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个；其孔隙率60％；三维结构示意图如图1所示，实物如图2所示，材料从上到下依次为小孔区、中孔区和大孔区，各区厚度相同；外观圆柱状；
制备方法为：
准备造孔颗粒物，造孔颗粒物的粒径在0.5～6mm，并按粒径分类，分成大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒；所述的颗粒物为球形的硫酸钾颗粒、氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；采用的大孔颗粒粒径在4～6mm，中孔颗粒的粒径在2～4mm，小孔颗粒的粒径在0.5～2mm，小孔颗粒的平均粒径1mm，中孔颗粒的平均粒径为3mm，大孔颗粒的平均粒径为5mm，平均粒径比为5:3:1；
将大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒填充到石墨坩埚中，按生物医用锌合金材料所需的形状及开孔分布方式布置，构成堆积体；
在堆积体上放置重物，使堆积体的各颗粒处于受压状态；然后将石墨坩埚置于加热炉中，进行升温和烧结，烧结温度680℃，时间6h，烧结完成后空冷至室温，在石墨坩埚内获得由堆积体烧结形成的预制体；
取出所放置的重物，将纯锌或锌合金放置在石墨坩埚内的预制体上，然后将石墨坩埚置于真空条件下，通过真空泵控制真空度为2Pa，再升温至620℃使纯锌或锌合金完全熔化，形成熔体并流入预制体的空隙中；其中纯锌或锌合金的用量按熔化并流入空隙后熔体液面封盖预制体为准；
当纯锌或锌合金完全熔化后，关闭真空泵并保温20min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.8MPa，加压时间3min；加压完成后熔体随炉冷却至400℃，最后空冷至室温，制成复合体；
将复合体中的预制体成分去除，制成孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料。
实施例2
孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为锌合金，成分按质量百分比含Al5％，Mg0.01％，Ca 3％，Zr 0.05％，余量为Zn和不可避免杂质；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿轴向呈双向梯度分布；其压缩强度为15MPa，弹性模量为8GPa；互相连通的开孔是通过连通孔连通，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个；其孔隙率65％；材料从上到下依次为小孔区、中孔区、大孔区、中孔区和小孔区，共5个区，各区厚度相同；外观圆柱状；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)颗粒物为球形的硫酸钾颗粒，氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；采用的大孔颗粒粒径在2.5～3.5mm，中孔颗粒的粒径在1.5～2.5mm，小孔颗粒的粒径在0.5～1.5mm，小孔颗粒的平均粒径1mm，中孔颗粒的平均粒径为2mm，大孔颗粒的平均粒径为3mm，平均粒径比为3:2:1；
(2)烧结温度720℃，时间4h；
(3)通过真空泵控制真空度为1Pa，再升温至610℃使纯锌或锌合金完全熔化；
(4)完全熔化后，关闭真空泵并保温30min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.7MPa，加压时间4min；加压完成后熔体随炉冷却至380℃。
实施例3
孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为锌合金，成分按质量百分比含Al3％，Mg1％，Ca 1％，Zr 0.1％，余量为Zn和不可避免杂质；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿径向呈梯度分布；其压缩强度为10MPa，弹性模量为5GPa；互相连通的开孔是通过连通孔连通，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个；其孔隙率在70％；三维结构示意图如图3所示，实物如图4所示，材料从边部到中部依次为小孔区、中孔区和大孔区，各区宽度相同；外观圆盘状；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)颗粒物为球形的硫酸钾颗粒，氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；采用的大孔颗粒粒径在3～5mm，中孔颗粒的粒径在2～4mm，小孔颗粒的粒径在1.5～2.5mm，小孔颗粒的平均粒径2mm，中孔颗粒的平均粒径为3mm，大孔颗粒的平均粒径为4mm，平均粒径比为2:1.5:1；
(2)烧结温度700℃，时间5h；
(3)通过真空泵控制真空度为0.5Pa，再升温至600℃使纯锌或锌合金完全熔化；
(4)完全熔化后，关闭真空泵并保温35min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.6MPa，加压时间4min；加压完成后熔体随炉冷却至370℃。
实施例4
孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为纯锌，成分按质量百分比含Zn99.99％；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿轴向呈单向梯度分布；其压缩强度为8MPa，弹性模量为3GPa；互相连通的开孔是通过连通孔连通，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个；其孔隙率75％；材料中大孔区、中孔区和小孔区按从上到下或从下到上的次序排布，构成20个圆柱区，与中孔区相邻的均为大孔区，与小孔区相邻的均为中孔区，任意两个区的厚度之比在0.5～2之间；外观圆柱状；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)颗粒物为球形的硫酸钾颗粒，氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；采用的大孔颗粒粒径在3.5～6mm，中孔颗粒的粒径在1.5～3.5mm，小孔颗粒的粒径在0.5～2mm，小孔颗粒的平均粒径1mm，中孔颗粒的平均粒径为2mm，大孔颗粒的平均粒径为5mm，平均粒径比为5:2:1；
(2)烧结温度690℃，时间5.5h；
(3)通过真空泵控制真空度为0.1Pa，再升温至590℃使纯锌或锌合金完全熔化；
(4)完全熔化后，关闭真空泵并保温40min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.5MPa，加压时间5min；加压完成后熔体随炉冷却至350℃。
实施例5
孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料为纯锌，成分按质量百分比含Zn99.99％；该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5～6mm，并且开孔的内径沿径向呈梯度分布；其压缩强度为5MPa，弹性模量为0.5GPa；孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的相邻的开孔互相连通的通道称为连通孔，每个开孔连接的连通孔的数量为1～8个；其孔隙率80％；从中心到边部按小孔区、中孔区、大孔区和中孔区的次序排布，构成中心部分的1个圆形区和其他部分的3个环形区，任意两个区的宽度之比在0.5～2之间，外观圆盘状；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)颗粒物为球形的硫酸钾颗粒，氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；采用的大孔颗粒粒径在3～5mm，中孔颗粒的粒径在2～4mm，小孔颗粒的粒径在0.5～2mm，小孔颗粒的平均粒径1mm，中孔颗粒的平均粒径为3mm，大孔颗粒的平均粒径为4mm，平均粒径比为4:3:1；
(2)烧结温度710℃，时间4.5h；
(3)通过真空泵控制真空度为0.015Pa，再升温至580℃使纯锌或锌合金完全熔化；
(4)完全熔化后，关闭真空泵并保温50min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.4MPa，加压时间5min；加压完成后熔体随炉冷却至320℃。

Claims (1)

1.一种孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
（1）准备造孔颗粒物，造孔颗粒物的粒径在0.5~6mm，并按粒径分类，分成大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒；所述的颗粒物为球形的硫酸钾颗粒、氯化钙颗粒或氯化钠颗粒；所述的大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒的平均粒径比为2:1.5:1；
（2）将大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒填充到石墨坩埚中，按生物医用锌合金材料所需的形状及开孔分布方式布置，构成堆积体；所述的堆积体为圆盘状，堆积的大孔颗粒、中孔颗粒和小孔颗粒分别构成大孔区、中孔区和小孔区；大孔区、中孔区和小孔区按从中心到边部或从边部到中心的次序排布，任意两个区的宽度之比在0.5~2之间；
（3）在堆积体上放置重物，使堆积体的各颗粒处于受压状态；然后将石墨坩埚置于加热炉中，进行升温和烧结，烧结温度700℃，时间5h，烧结完成后空冷至室温，在石墨坩埚内获得由堆积体烧结形成的预制体；放置重物是先在堆积体上放置垫片，然后放置重物压在垫片上，所述的垫片及重物的材质为纲，所述的重物质量为步骤（4）中锌合金质量的0.5~2倍
（4）取出所放置的重物，将锌合金放置在石墨坩埚内的预制体上，然后将石墨坩埚置于真空条件下，通过真空泵控制真空度为0.5Pa，再升温至600℃使锌合金完全熔化，形成熔体并流入预制体的空隙中；其中锌合金的用量按熔化并流入空隙后熔体液面封盖预制体为准；所述的锌合金是采用金属锌、金属镁、金属铝、镁钙合金和铝锆合金为原料，经熔炼制成；
（5）当锌合金完全熔化后，关闭真空泵并保温35min，再通入氩气对熔体加压进行渗流，氩气的压力为0.6MPa，加压时间4min；加压完成后熔体随炉冷却至370℃，最后空冷至室温，制成复合体；
（6）将复合体中的预制体成分去除，制成孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料，预制体成分去除的方法为：用水冲洗复合体，清除或溶掉预制体成分，然后置于去离子水中，在超声条件下清洗15~30min，进一步去除残留物，再置于无水乙醇中，在超声条件下清洗20~50min，最后取出风干或烘干；所述的孔径梯度分布的开孔结构生物医用锌材料材质为锌合金，成分按质量百分比含Al 3%，Mg 1%，Ca 1%，Zr 0.1%，余量为Zn和不可避免杂质，该材料的表面及内部分布有互相连通的开孔，开孔的形状以球形为主，开孔的孔径在0.5~6mm，并且开孔的内径沿径向呈梯度分布；其压缩强度10MPa，弹性模量5GPa，孔隙率70%。
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