一种可降解医用植入金属材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种生物医用可降解锌基合金，其特征在于，由Zn、Mg、Ca、Mn组成锌合金体系，各组分质量百分比为：Mg 0～1.5％，但不为0；Ca为0～0.5％，Mn为0～0.2％，余量为Zn。本发明专利技术制备的锌基合金避免了不利元素的引入，具有良好的力学性能，耐腐蚀性能优异，腐蚀失效可控性强，可以满足医疗器械领域对生物材料的生物安全性和综合力学性能的要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生物医用金属材料及其制备方法，具体的说是一种生物体内可完全降解的锌基合金及其制备方法，属于医用金属材料制备

技术介绍
近年来，镁合金和铁合金作为新一代革命性的金属医用材料具有生物可降解特性受到了研究者们的特别关注。这种材料很巧妙地利用了金属活泼的化学性质，能够在体液中表现出较易腐蚀的特征，以之在体内实现植入物发生降解并最终消失而不引起毒副作用临床目的。但是，当前可降解医用金属材料均存在有一定缺陷。以镁基合金为代表的可降解金属一般在数天内就会在人体中完全降解，不能起到治疗、支撑作用，同时降解过程中会产生氢气，在组织间形成气囊，影响组织修复与愈合，并且镁的密度较低，在体显影性差甚至不显影。而铁基合金则表现出较慢的降解速率，以之制作医疗器械其医学服役疗效与腐蚀产生的失效过程匹配性较差。金属锌的腐蚀电位介于镁合金和铁合金之间，腐蚀失效可控性更强，相对更适应临床医疗上对可吸收金属服役的要求，且相较于聚合物具有优异的力学性能及可显影性。同时，锌是人体必需微量元素之一，在机体内参与所有生理代谢过程，除了在多种金属酶、转录因子及其他蛋白中起着催化或构建作用外，还以神经递质或调质样的形式发挥其功能。故而以之制备可降解金属还具有较好的生物相容性。因此以锌基合金作为生物医用金属材料具有潜在的研究价值。目前，将锌基合金作为可降解金属材料已经受到越来越多的关注，如：D Vojtěch等报道了Zn-Mg合金的机械性能及腐蚀性能，并
探讨了其在骨科植入中应用的可行性(Acta biomaterialia,2011,7(9):3515-3522)；PK Bowen等报道了纯锌在小鼠腹主动脉的植入实验，揭示了其体内腐蚀特性，探讨了纯Zn作为支架用金属材料的可行性(Advanced Materials,2013,25(18):2577-2582)。然而，在上述文献中提及的通过合金化得到的Zn基合金塑性较差，其延伸率大约在1.5％左右，而纯锌的强度又不高，其抗拉强度大约在30MPa左右，严重限制了其广泛应用。此外，CN103736152A公开了一种锌基植入材料，主要由Zn、Ce、Mg、Ca、Cu组成，但成分中包含稀土元素Ce以及对人体有争议作用的Cu。CN104212998A公开了一种Zn-Mg系锌合金，其中还包含微量元素Sr、Ca、Si、P、Li、Ag、Sn和稀土元素等中的至少一种，所得锌合金具有良好的力学性能，同时兼具可生物腐蚀降解特性和适宜的腐蚀速率保证提供长期有效的力学支撑。然而该合金体系可能存有危害微量元素(如非营养元素Si、Li、Ag、Sn和稀土元素等)引入的风险，特别是稀土元素往往被认为是能对肌体带来危害影响的不利元素(Toxicological Sciences,1997,37(2):106-116.)。因此，亟待开发一种兼具无毒、可完全降解和高强韧优点的新型生物医用锌基合金体系，探索其在植入性支架及植入性骨科器械方面的应用。
技术实现思路
针对上述现有医用可降解植入金属材料存在的缺陷，本专利技术在锌基合金基础上选用对人体有裨益的必需微量元素Mg、Ca、Mn进行合金化，通过对四种金属用量的优化调整，使其具备无毒性，生物相容性好，力学性能优异，腐蚀可控性好等特点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种生物医用可降解锌基合金，由Zn、Mg、Ca、Mn组成，其中各组分质量百分比为：Mg为0～1.5％，但不为0；Ca为0～0.5％，但不为0；Mn为0～0.2％，但不为0；余量为Zn。本专利技术选用对人体有益元素Mg、Ca、Mn，避开了具有细胞毒性和遗传毒性的合金化元素的引入，研究结果发现有益元素Mg和Ca的引入可以降低锌基合金的晶间腐蚀倾向，同时可提高强度，但是过量的Mg及Ca会在锌基中形成Mg2Zn11级CaZn11脆生相，严重影响了锌基合金的塑形，本专利技术明确了较为狭窄的可选区间范围；同样的，适量的Mn的加入可以起到细化合金晶粒，并且可以提高锌基合金的屈服强度，而且在熔炼过程中或浇注过程中Mn还可以有效避开杂质元素Fe等的引入。作为本专利技术优选的实施方式，所述生物医用可降解锌基合金中各组分质量百分比为：Mg为0.5～1.5％，Ca为0～0.2％，Mn为0～0.2％，余量为Zn。进一步优选，所述生物医用可降解锌基合金中各组分质量百分比为：Mg为1～1.5％，Ca为0.1％，Mn为0～0.1％，余量为Zn。本专利技术还提供上述锌基合金的制备方法，包括：将所述组分元素混合得到混合物，在CO2气氛保护下或在高真空设备中，将所述混合物进行熔炼或烧结，冷却后即得到所述锌基合金。在合金材料制备过程中，为了使各组分充分混合，均匀度好，相容性提高，通常会选择较高的熔炼温度，如600℃以上，然而本申请专利技术人在研究中发现，较高的熔炼温度或者较长的熔炼时间易导致氧化物夹渣增多或元素烧损严重，因此本专利技术中所述的熔炼温度为450℃～570℃，所述的熔炼时间可为1.5～3h；优选地在500℃下熔炼2h，以减少氧化物夹渣或元素的烧损。所述烧结可采用元素粉末混合烧结法、预合金粉末烧结法和自蔓延高温合成法等。为了进一步改善锌基合金的综合性能，还可将所述锌基合金进行机械加工。所述机械加工包括轧制或挤压。其中，所述的轧制工艺步骤如下：将所述的锌基合金进行固溶
处理3～18h，轧制前1～5h充分预热，然后依次经过粗轧、中轧和精轧，如在240～300℃下进行粗轧，道次下压量＜5％；中轧温度为150～240℃，道次下压量为10％～20％；精轧温度为100℃～150℃，道次下压量为5％～10％。所述的挤压工艺步骤如下：将所述的锌基合金进行固溶处理3～18h，挤压前1～5h充分预热，挤压温度筒设定为150℃～270℃，挤压杆温度为200～270℃，挤压凹模温度为250～300℃。因为本申请专利技术人在研究中发现，Zn、Mg、Ca、Mn四种元素组成的铸锭初始时塑性较差，在挤压过程中，必须采用多道次挤压，并采用不同挤压比以提高其塑性。优选的首次挤压比设为5～10，随后可逐渐增大，同时挤压道次在至少2次。本专利技术所述的可降解医用植入锌基合金可用来制作可吸收植入体，具体可以是植入性支架或植入性骨科器械。其中，所述的可吸收植入性支架为血管支架、气管支架、食道支架、肠道支架、胆道支架或尿道支架等；所述的可吸收植入性骨科器械为骨组织修复支架、固定骨螺钉、固定铆钉、夹骨板或髓内针等。本专利技术提供的锌基合金选用高纯度的原材料制得，其中，所述的Zn的纯度为大于等于99.99％，Mg的纯度为大于等于99.99％，Ca的纯度为大于等于99.9％；但由于Mn的熔点远高于锌，在本专利技术中为降低熔炼温度、减少烧损，优先选用高纯Mg-Mn或Zn-Mn中间合金等。专利技术中制备的锌基合金避免了不利元素的引入，具有良好的力学性能，耐腐蚀性能优异，腐蚀失效可控性强，可以满足医疗器械领域对生物材料的生物安全性和综合力学性能的要求。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术从众多医用植入金属元素中选用Zn、Mg、Ca、Mn四种有益元素，并调整各成分比例关系进行合金化，避开了具有细胞毒性和遗传毒性的合金化元素的引入，所制备的锌基合金无毒性、
生物相容性好，力学性能优异，抗腐蚀性能好等特点本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物医用可降解锌基合金，其特征在于，由Zn、Mg、Ca、Mn组成，其中各组分质量百分比为：Mg为0～1.5％，但不为0；Ca为0～0.5％，但不为0；Mn为0～0.2％，但不为0；余量为Zn。

【技术特征摘要】
1.一种生物医用可降解锌基合金，其特征在于，由Zn、Mg、Ca、Mn组成，其中各组分质量百分比为：Mg为0～1.5％，但不为0；Ca为0～0.5％，但不为0；Mn为0～0.2％，但不为0；余量为Zn。2.根据权利要求1所述的锌基合金，其特征在于，所述锌基合金由如下质量百分比的组分制得：Mg为0.5～1.5％，Ca为0～0.2％，Mn为0～0.2％，余量为Zn。3.权利要求1或2所述锌基合金的制备方法，其特征在于，将所述组分元素混合得到混合物，在CO2气氛保护下或在高真空设备中，将所述混合物进行熔炼或烧结，冷却后即得到所述锌基合金。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的熔炼温度可为450℃～570℃，所述的熔炼时间可为1.5～3h。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述烧结可采用元素粉末混合烧结法、预合金粉末烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘西伟，杨映红，潘腾飞，武楠，崔凯，蒲忠杰，
申请(专利权)人：乐普北京医疗器械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11