一种医用生物可降解锌合金及其制备方法

摘要

一种医用生物可降解锌合金及其制备方法，属于材料技术领域，合金成分按重量百分比含Mg 0.005~1%，Ag 0.01~0.5%，Ca 0.01~0.5%，Mn 0.01~0.5%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；制备方法为：（1）将纯金属锌加热至520±5℃，溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，搅拌至混合均匀；（2）降温至460±5℃，压入六氯乙烷，保温静置10~20min；（3）保降温至440±5℃浇铸；（4）在300℃±5保温100~200min，升温至330~360℃保温3~5小时，再水冷至常温；（5）在150~350℃保温20~40min，然后进行高温变形，空冷至常温；（6）进行多次常温变形?中间退火，最后空冷至常温。本发明的锌合金可用于制备各种可降解医用器件以满足不同的临床使用要求。

权利要求

1.一种医用生物可降解锌合金的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）准备金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

（2）将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.2~0.3%，然后在460±5℃保温静置10~20min；

（3）保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

（4）铸锭进行均匀化处理，均匀化处理是在300℃±5保温100~200min；然后升温至330~

360℃保温3~5小时，再水冷至常温，获得锭坯；

（5）将锭坯在150~350℃保温20~40min，然后在150~350℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金；所述的高温塑形变形为挤压、轧制或锻造，当进行挤压时，挤压比为16~150；当进行轧制或锻造时，总变形量为50~80%；

（6）将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次拉拔或轧制，每道次拉拔或轧制的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150~300℃，时间为10~20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到92~98%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，其成分按重量百分比含Mg 0.005~1%，Ag 0.01~0.5%，Ca 0.01~0.5%，Mn 0.01~

0.5%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn。

2.根据权利要求1所述的医用生物可降解锌合金的制备方法，其特征在于所述的热变形态合金的抗拉强度为220~400MPa，拉伸屈服强度为160~360MPa，延伸率12~40%。

3.根据权利要求1所述的医用生物可降解锌合金的制备方法，其特征在于所述的医用生物可降解锌合金采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.2~0.8mm/year。

说明书

一种医用生物可降解锌合金及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于材料技术领域，特别涉及一种医用生物可降解锌合金及其制备方法。

背景技术

[0002] 金属材料由于其良好的力学性能和加工性能成为目前临床应用较广泛的植入材料，主要包括纯金属（钽、铌、锆等）、不锈钢、钛合金、钴基合金、形状记忆合金、贵金属等；这些材料都具有良好的耐腐蚀性能，植入人体后能够长期保持稳定；但是也带来了一些问题，例如需要二次手术取出；合金元素释放给人体带来潜在危害等不良影响。

[0003] 为了避免上述植入材料引起的问题，提出了使用可降解植入材料的技术。目前临床应用的可降解植入材料主要包括高分子材料和生物活性陶瓷材料，但这类可降解材料仍然存在明显的缺陷：高分子材料力学性能过低，降解产生的酸性环境会增加炎症产生的可能性；生物活性陶瓷的塑性及韧性均较差，从而限制了其应用范围。目前金属基可降解植入材料尚未得到临床应用，对其开发和研究尚在进行中，且主要集中于镁合金和铁基合金。但镁合金与铁基合金作为可降解植入材料在降解速率方面存在一些问题，镁合金最大的问题是其降解速度过快，影响其生物相容性和在使用过程中的力学性能；而铁基合金最大的问题是降解速度过慢，会引发一系列与生物惰性材料类似的不良反应。

[0004] 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。但是纯锌的力学性能较差，强度和塑性都不能满足植入材料的要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种医用生物可降解锌合金及其制备方法，选择对人体无害的金属元素进行合金化，然后对合金通过热变形、冷变形及热处理，获得高强度、良好塑性、可降解的锌合金医用可降解材料。

[0006] 本发明的医用生物可降解锌合金的成分按重量百分比含Mg 0.005~1%，Ag 0.01~0.5%，Ca 0.01~0.5%，Mn 0.01~0.5%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn。

[0007] 上述的医用生物可降解锌合金的抗拉强度为260~450MPa，拉伸屈服强度为195~380MPa，延伸率5~30%。

[0008] 本发明的医用生物可降解锌合金的制备方法按以下步骤进行：

[0009] （1）按上述成分准备金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0010] （2）将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.2~0.3%，然后在460±5℃保温静置10~20min；

[0011] （3）保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0012] （4）铸锭进行均匀化处理，均匀化处理是在300℃±5保温100~200min；然后升温至330~360℃保温3~5小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0013] （5）将锭坯在150~350℃保温20~40min，然后在150~350℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金；所述的高温塑形变形为挤压、轧制或锻造，当进行挤压时，挤压比为16~150；当进行轧制或锻造时，总变形量为50~80%；

[0014] （6）将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次拉拔或轧制，每道次拉拔或轧制的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150~300℃，时间为10~20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到92~98%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金。

[0015] 上述方法中，热变形态合金的抗拉强度为220~400MPa，拉伸屈服强度为160~360MPa，延伸率12~40%。

[0016] 上述的医用生物可降解锌合金为板材、棒材或线材。

[0017] 上述的步骤1和2采用的加热设备为电阻炉。

[0018] 上述的步骤3获得的铸锭为直径为40~60mm的圆柱形或者边长为40~60mm的方形。

[0019] 上述的医用生物可降解锌合金采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.2~0.8mm/year。

[0020] 本发明的优点在于：

[0021] 1、医用生物可降解锌合金中锌、镁、钙、锰均为人体本身含有的元素，而且微量的银对人体是无害的，且在其降解过程中可以释放银离子，起到杀菌的作用，可以避免在器件植入之后引起感染，从而减轻患者的痛苦与麻烦；

[0022] 2、医用生物可降解锌合金可通过挤压、轧制、锻造或拉拔等方式加工，获得棒、线、板及型材；通过合金元素含量的微小调整可以使其力学性能得到大幅度的改变，可以达到屈服强度>200MPa，延伸率>15%的性能要求，而且可以控制其降解速率达到0.5mm/year左右；

[0023] 3、医用生物可降解锌合金的棒、线、板及型材尺寸变化范围较宽（Φ0.05~12mm或t0.1~20mm），可以用于不同植入器件的制备，例如骨钉、骨板、心血管支架、骨组织工程支架、缝合线以及与其他材料制成复合材料器件等，可用于制备各种可降解器件以满足不同的临床使用要求。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例1中制备的医用生物可降解锌合金的全身毒性试验结果；其中（a）心肌组织；（b）肝脏组织；（c）肾脏组织；

[0025] 图2为本发明实施例1中挤压得到的锌合金植入新西兰大白兔后X-ray图像，其中（a）植入一周后；（b）植入一个月后；（c）植入三个月后；

[0026] 图3为本发明实施例1中热变形态合金的金相组织照片图；

[0027] 图4为本发明实施例1中热变形态合金室温拉伸性能曲线图；

[0028] 图5为本发明实施例1的医用生物可降解锌合金与纯镁在37℃SBF溶液中浸泡8天后宏观形貌图，其中（a）为本发明实施例1中医用生物可降解锌合金，（b）为纯镁；

[0029] 图6为本发明实施例1的医用生物可降解锌合金与纯镁在37℃SBF溶液中浸泡条件下，腐蚀速率随浸泡时间变化曲线图；图中，◆为纯镁，▼为医用生物可降解锌合金；

[0030] 图7为本发明实施例1中常温变形后的合金金相组织照片图；

[0031] 图8为本发明实施例1中常温变形后的合金室温拉伸性能曲线图。

具体实施方式

[0032] 本发明实施例中采用的金属锌的纯度为99.995%，金属镁纯度为99.99%，金属银纯度为99.99%，金属钙纯度为99.95%，金属锰纯度为99.995%。

[0033] 本发明实施例中全身毒性试验的测试方法是根据GB/T 16886.11-1997 医疗器械生物学评价第11部分：全身毒性试验标准。

[0034] 本发明实施例中观测金相组织采用的设备为OLYMPUS公司生产的GX71倒置式系统金相显微镜。

[0035] 本发明实施例中拉伸试验采用的标准为国标GB/T 228-2002《金属材料常温拉伸试验方法》，设备为由岛津制作株式会社所生产AG-X100kN电子万能材料试验机[0036] 本发明实施例中测试性能采用的标准为国家标准GB/T16545-1996《金属和合金的腐蚀——腐蚀试样上腐蚀产物的清除》， SBF溶液配制依据ISO/FDIS23317：Implants for surgery——In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials进行。

[0037] 本发明实施例中的铸锭为直径为40~60mm的圆柱形或者边长40~60mm的方形。

[0038] 实施例1

[0039] 成分按重量百分比含Mg 0.05%，Ag 0.5%，Ca 0.1%，Mn 0.1%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；

[0040] 金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0041] 将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.2%，然后在460±5℃保温静置20min；

[0042] 保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0043] 铸锭在300℃±5保温100min，然后升温至360℃保温3小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0044] 将锭坯在200℃保温40min，然后在200℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金，抗拉强度为220MPa，拉伸屈服强度为160MPa，延伸率17%，热变形态合金的金相组织照片如图3所示，室温拉伸性能曲线如图4所示；

[0045] 所述的高温塑形变形为挤压，挤压比为16；

[0046] 将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次拉拔，每道次拉拔的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为300℃，时间为10min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到92%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，抗拉强度为260MPa，拉伸屈服强度为195MPa，延伸率14%；采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.2mm/year，腐蚀速率随浸泡时间变化曲线图如图6所示，常温变形后的合金金相组织照片如图7所示，室温拉伸性能曲线如图8所示。

[0047] 实施例2

[0048] 成分按重量百分比含Mg 1%，Ag 0.01%，Ca 0.5%，Mn 0.01%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；

[0049] 金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0050] 将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.25%，然后在460±5℃保温静置10min；

[0051] 保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0052] 铸锭在300℃±5保温150min，然后升温至330℃保温5小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0053] 将锭坯在250℃保温30min，然后在250℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金，抗拉强度为400MPa，拉伸屈服强度为60340MPa，延伸率12%；

[0054] 所述的高温塑形变形为挤压，挤压比为150；

[0055] 将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次轧制，每道次轧制的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150℃，时间为20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到94%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，抗拉强度为450MPa，拉伸屈服强度为380MPa，延伸率5%；采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.6mm/year。

[0056] 实施例3

[0057] 成分按重量百分比含Mg 0.005%，Ag 0.1%，Ca 0.15%，Mn 0.15%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；

[0058] 金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属锰、金属银、金属钙和金属镁，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0059] 将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.3%，然后在460±5℃保温静置20min；

[0060] 保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0061] 铸锭在300℃±5保温200min，然后升温至340℃保温3小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0062] 将锭坯在350℃保温20min，然后在350℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金，抗拉强度为270MPa，拉伸屈服强度为200MPa，延伸率40%；

[0063] 所述的高温塑形变形为挤压，挤压比为80；

[0064] 将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次拉拔，每道次拉拔的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150~300℃，时间为10~20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到95%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，抗拉强度为320MPa，拉伸屈服强度为240MPa，延伸率30%；采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.5mm/year。

[0065] 实施例4

[0066] 成分按重量百分比含Mg 0.16%，Ag 0.43%，Ca 0.01%，Mn 0.05%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；

[0067] 金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属镁、金属银、金属钙和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0068] 将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.2%，然后在460±5℃保温静置15min；

[0069] 保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0070] 铸锭在300℃±5保温100min，然后升温至350℃保温4小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0071] 将锭坯在150℃保温40min，然后在150℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金，抗拉强度为220MPa，拉伸屈服强度为160MPa，延伸率30%；

[0072] 所述的高温塑形变形为轧制，总变形量为80%；

[0073] 将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次轧制，每道次轧制的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150~300℃，时间为10~20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到98%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，抗拉强度为270MPa，拉伸屈服强度为220MPa，延伸率22%；采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.8mm/year。

[0074] 实施例5

[0075] 成分按重量百分比含Mg 0.47%，Ag 0.2%，Ca 0.38%，Mn 0.5%，不可避免杂质≤0.2%，余量为Zn；

[0076] 金属锌、金属镁、金属银、金属钙和金属锰作为原料；将纯金属锌加热至520±5℃，待金属锌溶化后依次加入金属镁、金属银、金属钙和金属锰，待全部金属熔化后，搅拌至混合均匀，获得合金熔体；

[0077] 将合金熔体降温至460±5℃，利用石墨钟罩向合金熔体中压入六氯乙烷，压入的六氯乙烷为合金熔体总重量的0.3%，然后在460±5℃保温静置10min；

[0078] 保温静置结束后将合金熔体降温至440±5℃浇铸至模具中，浇铸过程中模具通水冷却，获得铸锭；

[0079] 铸锭在300℃±5保温200min，然后升温至330℃保温5小时，再水冷至常温，获得锭坯；

[0080] 将锭坯在350℃保温20min，然后在350℃进行高温塑形变形，再空冷至常温，获得热变形态合金，抗拉强度为330MPa，拉伸屈服强度为270MPa，延伸率36%；

[0081] 所述的高温塑形变形为锻造，总变形量为50%；

[0082] 将热变形态合金进行多次常温变形-中间退火，每次常温变形分为多道次拉拔，每道次拉拔的变形量为8~20%，每次常温变形的总变形量为60~80%；每次常温变形之后进行一次中间退火，中间退火温度为150℃，时间为20min；当多次常温变形-中间退火的总变形量达到96%时，在最后一次中间退火后空冷至常温，获得医用生物可降解锌合金，抗拉强度为380MPa，拉伸屈服强度为300MPa，延伸率26%；采用失重法，在37℃SBF溶液中测得其腐蚀速率为0.35mm/year。