CN110421173A - 一种医用可降解的锌基复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种医用可降解的锌基复合材料及其制备方法与应用，所述锌基复合材料由质量百分含量为50.1～99.9％的锌元素和0.1～49.9％的微量元素组成，所述微量元素包括Fe、Ag、Ti、Cu元素中的一种或多种。方法包括：按配比称取锌粉和含微量元素的粉末并混合均匀；将经混合后的粉末在5～50Mpa的压力下压制成型，得到坯料；将坯料置于模具中进行加压烧结；将经加压烧结后的材料进行热处理，最后挤压成型，得到医用可降解的锌基复合材料。将上述锌基复合材料应用在可降解医疗器材植入体中时既能满足力学性能的要求，又能对降解速度进行调控。

Description

一种医用可降解的锌基复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及生物医用材料制备领域，特别涉及一种医用可降解的锌基复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
医用可降解金属材料被视为革命性的生物医学材料，在过去二十年中，已被广泛研究用于血管和骨科应用。
目前，镁基，铁基，锌基合金用于生物可降解材料。其中镁基合金虽然降解速率快，但是其力学性能较差，并且腐蚀不均匀。而铁基合金虽然力学性能不错，但是降解速率太慢，没有达到标准值。锌基合金不管是力学性能还是降解性能都介于两者之间，是今后可降解医用材料的发展方向。由于锌基生物可降解材料具有良好的生物降解性和对组织再生的适应性，使得越来越多的人开始研究锌基生物可降解材料。
锌是人体必需的微量元素，在酶辅因子中起着重要作用，一种结构蛋白质的组成部分，并且是广泛的细胞和生化过程中的一种转录调节因子。对于婴儿，锌的建议日值从2到3mg/天开始，对于成人，锌的建议日值从8到11mg/天开始。其中与锌指蛋白相关的的基因占人类基因总量的3％。更重要的是，其中含有锌对骨形成和骨吸收有显著影响。锌通过激活成骨细胞中的氨基酰基-tRNA的合成和刺激细胞的蛋白质合成对成骨和矿化产生促进作用。与此同时,锌作为一种强力的NF-κB激活拮抗剂在破骨细胞前体和抑制破骨细胞分化。此外，锌可以防止骨质疏松引起的骨骼疾病。
纯锌及其合金也是一种人体环境下可降解的材料，但应用在骨科医用材料仍存在降解速率过慢，腐蚀产物不易脱落等缺点。骨植入物一般只需要12-18周保持力学完整性，随后即可降解消失。然而纯Zn植入动物体内后20个月后也未能完全降解，而且降解产物与植入物结合紧密而难以脱落，一直保持体积的完整性。
纯锌通过微合金化的手段能够调整锌合金的力学性能以及降解性能，但由于添加的微量元素在锌合金的中固溶度限制以及高熔点限制，微合金化加入的其他元素含量无法太高。而且在微合金化时，微量元素将固溶在锌基体或者与锌形成含锌的第二相，这种第二相与锌基体的电位差较小，使得添加的元素含量对锌合金的腐蚀性能影响不大，无法满足锌合金作为骨植入材料在植入18周后迅速降解的要求。
发明内容
本发明提供了一种医用可降解的锌基复合材料及其制备方法与应用，其目的是为了制备出既具有良好力学性能，又能满足骨植入材料对降解周期要求的锌基复合材料。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种医用可降解的锌基复合材料，其特征在于，所述锌基复合材料由质量百分含量为50.1～99.9％的锌元素和0.1～49.9％的微量元素组成，所述微量元素包括Fe、Ag、Ti、Cu元素中的一种或多种。
优选地，所述微量元素均匀分布在锌基体中，与锌基体形成微型原电池反应；所述锌基体作为微型原电池的阳极加速腐蚀。
优选地，所述锌基复合材料的降解速率为0.18～0.31毫米/年。
本发明还提供一种医用可降解的锌基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配比称取粒度为25～150μm的锌粉和粒度为50～200μm的含微量元素的粉末并混合均匀；
(2)将经混合后的粉末在5～50Mpa的压力下压制成型，得到坯料；
(3)将步骤(2)所得坯料置于模具中进行加压烧结；
其中，烧结过程具体为：首先从室温升温至200～250℃，保温5～30min，然后继续升温至400～450℃，保温5～30min；整个烧结过程在保护气体下进行并保持2～20MPa的压力；
(4)将经加压烧结后的材料进行热处理，所述热处理温度为150～300℃，保温时间为1～12小时；
(5)将经热处理后的材料在100～300℃下挤压成型，得到医用可降解的锌基复合材料。
优选地，步骤(1)中所述锌粉和含微量元素的粉末纯度大于99.5％。
优选地，步骤(1)中所述混合具体为在室温下将锌粉和含微量元素的粉末放入混料机中混合2～6小时。
优选地，步骤(3)中所述保护气氛为氮气。
优选地，步骤(5)中所述挤压成型的挤压比为5～100。
本发明还提供一种上述医用可降解的锌基复合材料在可降解医疗器材植入体中的应用。
优选地，所述可降解医疗器材植入体包括血管支架、接骨板、吻合器、骨钉或引导骨再生屏障膜。
本发明提供的医用可降解的锌基复合材料的制备方法的步骤(3)中温度是分梯度进行烧结的(第一阶段为200～250℃，第二阶段为400～450℃)，梯度烧结的好处是可以避免样品一次烧结可能出现的膨胀现象，可提高粉末冶金样品的致密度，样品不容易开裂。
烧结过程中如果温度过高，微量元素金属将溶解，并与锌基体发生反应，形成含锌第二相(如果采用熔炼的方法制备锌基复合材料也容易形成含锌第二相)。由于锌基体与含锌第二相的电位差较小，这样的锌合金材料将变得超强耐腐蚀，无法在较短时间内降解，并且降解产物不容易脱落，达不到可降解医用材料的要求。
本发明提供的医用可降解的锌基复合材料的制备方法的步骤(4)中热处理的目的是去除残余应力，防止样品由于内应力过大而发生开裂。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
(1)本发明提供的粉末热压制备的锌基复合材料将Fe、Ag、Ti、Cu这些金属粉末与锌粉混合均匀，不受金属元素的固溶度和熔点限制可以用粉末烧结法制备任意组分的锌基复合材料，并且不会造成烧损而准确控制复合材料的成分，不引入其他杂质。
(2)锌基复合材料可以在人体内进行无毒的降解。Fe、Ag、Ti、Cu粉与锌粉混合烧结时，烧结温度远低于这些元素的熔点，所以这些粉末不会与锌粉发生反应形成含锌第二相，而是以纯金属的形式均匀地分布在锌基体中，与锌基体形成大量的微型原电池反应。由于这些金属粉末的电位都比锌更正，而且原电池反应中电位差较大，所以锌基体作为阳极优先加速腐蚀。采用粉末热压烧结制备的锌基复合材料比采用熔炼铸造法制备的相同成分锌合金具有更快的降解速度，并且其腐蚀产物更加容易脱落，所以该锌基复合材料作为骨植入物的应用更加具有优势。
(3)本发明提供的粉末热压制备的锌基复合材料可以通过调整加入不同的金属粉末以及含量来控制锌基复合材料的降解速率。同时具有“降解速度可调控和能提供有效力学支撑”的特性。
(4)本发明提供的粉末烧结制备锌基复合材料的方法成本低廉，生产工艺流程短、技术实现的可行性高，杂质含量低，材料综合性能优良。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的医用可降解的Zn-Fe复合材料的显微结构示意图；
图2为本发明实施例1制得的医用可降解的Zn-Fe复合材料的扫描电镜图谱。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例提供的锌基复合材料的元素组成及质量百分比为：Zn:99.5％，Fe：0.5％。
上述锌基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)锌粉的粒度为25μm，Fe粉的粒度为50μm，所有粉末的纯度在99.9％；
(2)将多种粉末按不同使用要求按质量比例称量好，在室温下混合均匀；
(3)将混合后的粉末放在模具中，在室温下压制成型，压制压力为50Mpa；
(4)将压制成型的复合材料坯料放置在相同尺寸规格的模具中，在氮气保护气氛下行加压烧结，首先升温至200℃，保温30分钟，然后继续升温至400℃，保温5分钟，整个升温过程中持续保持压力为20MPa；
(5)烧结完成后将复合材料脱模取出后进行热处理，加热到150℃，保温时间12小时；
(6)将热处理后的复合材料在温度为200℃进行挤压，挤压比为20，获得合格的锌基复合材料产品。
图1为本实施例制得的医用可降解的Zn-Fe复合材料的显微结构示意图，图2为本实施例制得的医用可降解的Zn-Fe复合材料的扫描电镜图谱，由图可知Fe粉通过挤压后均匀地分布在锌基体中，没有固溶在锌基体或者形成含锌的第二相。
实施例2
本实施例提供的锌基复合材料的元素组成及质量百分比为：Zn 99.5％，Ag0.5％。
上述锌基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)锌粉的粒度为50μm，Ag粉的粒度为50μm，所有粉末的纯度在99.9％以上；
(2)将多种粉末按不同使用要求按质量比例称量好，在室温下混合均匀；
(3)将混合后的粉末放在模具中，在室温下压制成型，压制压力为20Mpa；
(4)将压制成型的复合材料坯料放置在相同尺寸规格的模具中，在氮气保护气氛下行加压烧结，首先升温至250℃，保温20分钟，然后继续升温至400℃，保温30分钟。整个升温过程中持续保持压力为20MPa；
(5)烧结完成后将复合材料脱模取出后进行热处理，加热到200℃，保温时间6小时；
(6)将热处理后的复合材料在温度为100℃进行挤压，挤压比为50，获得合格的锌基复合材料产品。
实施例3
本实施例提供的锌基复合材料的元素组成及质量百分比为：Zn 99.5％，Ti0.5％。
上述锌基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)锌粉的粒度为100μm，Ti粉的粒度为150μm，所有粉末的纯度在99.9％以上；
(2)将多种粉末按不同使用要求按质量比例称量好，在室温下混合均匀；
(3)将混合后的粉末放在模具中，在室温下压制成型，压制压力为50Mpa；
(4)将压制成型的复合材料坯料放置在相同尺寸规格的模具中，在氮气保护气氛下行加压烧结，首先升温至250℃，保温30分钟，然后继续升温至450℃，保温30分钟，整个升温过程中持续保持压力为20MPa；
(5)烧结完成后将复合材料脱模取出后进行热处理，加热到300℃，保温时间1小时；
(6)将热处理后的复合材料在温度为200℃进行挤压，挤压比为15，获得合格的锌基复合材料产品。
实施例4
本实施例提供的锌基复合材料的元素组成及质量百分比为：Zn 99.5％，Cu0.5％。
上述锌基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)锌粉的粒度为150μm，Cu粉的粒度为200μm，所有粉末的纯度在99.9％以上；
(2)将多种粉末按不同使用要求按质量比例称量好，在室温下混合均匀；
(3)将混合后的粉末放在模具中，在室温下压制成型，压制压力为30Mpa；
(4)将压制成型的复合材料坯料放置在相同尺寸规格的模具中，在氮气保护气氛下行加压烧结，首先升温至250℃，保温15分钟，然后继续升温至400℃，保温15分钟。整个升温过程中持续保持压力为10MPa；
(5)烧结完成后将复合材料脱模取出后进行热处理，加热到200℃，保温时间8小时；
(6)将热处理后的复合材料在温度为200℃进行挤压，挤压比为25，获得合格的锌基复合材料产品。
实施例5
本实施例提供的锌基复合材料的元素组成及质量百分比为：Zn 95％，Fe5％。
上述锌基复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)锌粉的粒度为25μm，其他粉末的粒度为50μm，所有粉末的纯度在99.9％以上；
(2)将多种粉末按不同使用要求按质量比例称量好，在室温下混合均匀；
(3)将混合后的粉末放在模具中，在室温下压制成型，压制压力为20Mpa；
(4)将压制成型的复合材料坯料放置在相同尺寸规格的模具中，在氮气保护气氛下行加压烧结，首先升温至200℃，保温30分钟，然后继续升温至400℃，保温30分钟，整个升温过程中持续保持压力为20MPa；
(5)烧结完成后将复合材料脱模取出后进行热处理，加热到150℃，保温时间12小时；
(6)将热处理后的复合材料在温度为150℃进行挤压，挤压比为20，获得合格的锌基复合材料产品。
对比例1
选取原料为Zn:100％，制备方法同实施例1。
对实施例1～5制备得到的锌基复合材料进行体外浸泡实验和抗拉强度测试，结果如表1所示。
表1实验结果
序号 材料 降解速率(毫米/年) 抗拉强度(MPa)
1 实施例1 0.18 242
2 实施例2 0.26 173
3 实施例3 0.16 216
4 实施例4 0.22 203
5 实施例5 0.31 270
6 对比例1 0.14 293
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种医用可降解的锌基复合材料，其特征在于，所述锌基复合材料由质量百分含量为50.1～99.9％的锌元素和0.1～49.9％的微量元素组成，所述微量元素包括Fe、Ag、Ti、Cu元素中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的医用可降解的锌基复合材料，其特征在于，所述微量元素均匀分布在锌基体中，与锌基体形成微型原电池反应；所述锌基体作为微型原电池的阳极加速腐蚀。
3.根据权利要求1所述的医用可降解的锌基复合材料，其特征在于，所述锌基复合材料的降解速率为0.18～0.31毫米/年。
4.一种如权利要求1～3任意一项所述的医用可降解的锌基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按配比称取粒度为25～150μm的锌粉和粒度为50～200μm的含微量元素的粉末并混合均匀；
(2)将经混合后的粉末在5～50Mpa的压力下压制成型，得到坯料；
(3)将步骤(2)所得坯料置于模具中进行加压烧结；
其中，烧结过程具体为：首先从室温升温至200～250℃，保温5～30min，然后继续升温至400～450℃，保温5～30min；整个烧结过程在保护气氛下进行并保持2～20MPa的压力；
(4)将经加压烧结后的材料进行热处理，所述热处理温度为150～300℃，保温时间为1～12小时；
(5)将经热处理后的材料在100～300℃下挤压成型，得到医用可降解的锌基复合材料。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述锌粉和含微量元素的粉末纯度大于99.5％。
6.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述混合具体为在室温下将锌粉和含微量元素的粉末放入混料机中混合2～6小时。
7.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述保护气氛为氮气。
8.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述挤压成型的挤压比为5～100。
9.一种如权利要求1～3任意一项所述的医用可降解的锌基复合材料或由权利要求4～8任意一项所述制备方法制得的医用可降解的锌基复合材料在可降解医疗器材植入体中的应用。
10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，所述可降解医疗器材植入体包括血管支架、接骨板、吻合器、骨钉或引导骨再生屏障膜。
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