本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，具體涉及一種生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金材料及其制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：目前，手術(shù)植入人體內(nèi)的醫(yī)用材料一般采用的是不可降解的金屬材料，例如(1)奧氏體不銹鋼(316LSS)；(2)鈷鉻合金；(3)醫(yī)用鉭；(4)鈦及其合金；(5)鎳鈦形狀記憶合金。這些永久性植入材料的應(yīng)用存在如下弊端，例如(1)永久性金屬血管支架植入人體后由于其不可降解，存在著容易形成血栓造成支架內(nèi)再狹窄、內(nèi)膜纖維化的不足，而且支架永久存留體內(nèi)，不能再次取出，一旦在同一位置再發(fā)生血管堵塞，再植入一個血管支架變得非常困難；(2)不銹鋼、鈦合金骨釘、骨板等植入人體后，在骨組織痊愈后需要二次手術(shù)將其取出，增加了患者的痛苦和經(jīng)濟負擔。因此研究和開發(fā)具有良好的力學性能與生物相容性能的體內(nèi)降解的醫(yī)用材料成為該領(lǐng)域中的重要發(fā)展方向。目前，可降解生物材料中可降解高分子材料、生物陶瓷、鎂基合金、鐵基合金是近年來研究較深入的材料。但由于聚合物材料強度偏低、陶瓷材料的塑性較差而限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。鎂基合金具有良好的生物相容性，但其耐蝕性較差，在人體內(nèi)很快被降解，失去其力學支撐作用。鐵基合金的腐蝕速率太慢，完全降解時間可能長達數(shù)年。鋅為人體最為基本的必要微量元素之一。在人體內(nèi)幾乎參與所有生理代謝過程，鋅除了在多種金屬酶、轉(zhuǎn)錄因子及其他蛋白中起著催化或構(gòu)建作用外，還以神經(jīng)遞質(zhì)或調(diào)質(zhì)樣的形式發(fā)揮其功能。鋅能促進細胞的更新，可增強人體的免疫能力，維持肌體的生長和發(fā)育，鋅缺損可能導致人體所有的生理機能紊亂。成人體內(nèi)的鋅含量為1.4～2.3g，健康成人每天鋅的膳食許可量為15～40mg，成年人每天攝入約300mg鋅才可能會有一定的毒性反應(yīng)。因此，鋅合金具有良好的生物相容性。純鋅的標準電極電位為-0.763V，介于純鎂(-2.37V)和純鐵(-0.44V)之間，鋅基合金的腐蝕速率也位于鎂基合金和鐵基合金之間，其降解速率是最滿足臨床內(nèi)植物的要求的。但是，純鋅的綜合力學性能較差，腐蝕速率也較慢，很難滿足臨床醫(yī)學的需求，對純鋅進行合金化是改善其力學性能和腐蝕速率的主要方法，如現(xiàn)有技術(shù)中有在鋅中同時添加Fe、Li以及微量元素Mg、Ca、Sr、Si、Mn和稀土元素，但是該技術(shù)制備的鋅合金材料的強度和塑性較低，還達不到理想的血管支架用材料的性能要求。同時含有較多的合金元素，一方面在降解過程中釋放較多的合金元素種類增加了對人體潛在的風險，另一方面合金制備工藝復制，增加了材料的質(zhì)量控制難度，相應(yīng)合金成本也增加了。我們在研究中發(fā)現(xiàn)鋅鋰二元合金具有更高的強度和塑性以及適宜的降解速率，同時由于材料組分簡單，生物安全性更好，熔煉制備工藝簡便，作為醫(yī)用植入材料應(yīng)用更具優(yōu)勢。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有醫(yī)用可降解材料存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種強度高、塑性好，降解速率可控，可被生物降解的生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：第一方面，本發(fā)明涉及一種生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金材料，所述合金材料包括如下重量百分比含量的各組分：鋰0.55～10％，鋅90～99.45％。優(yōu)選的，所述合金材料包括如下重量百分比含量的各組分：鋰1～3％，鋅97～99％，或鋰4.1～10％，鋅90～95.9％。最優(yōu)選鋰1～3％，鋅97～99％。第二方面，本發(fā)明還涉及一種前述的生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：S1、根據(jù)所述合金配比稱取鋅原料、鋰原料；S2、將鋅原料、混合熔劑、鋰原料加熱熔化，攪拌均勻，形成合金熔體；S3、所述合金熔體經(jīng)過精煉、靜置、澆注后冷卻，得到生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金鑄錠材料。優(yōu)選的，所述鋅原料為純鋅，所述鋰原料為純鋰；步驟S2具體為：先將純鋅(純度≥99.995％)加熱至420℃～440℃待其完全熔化后，將熔體溫度上升至580～620℃時加入混合熔劑，待混合熔劑完全覆蓋在熔體表面同時將熔體溫度降至540～560℃，在Ar氣的保護下加入純鋰(純度≥99.999％)。優(yōu)選的，步驟S1中，所述鋅原料為純鋅，所述鋰原料為純鋰；根據(jù)所述合金配比稱取具體為：純鋰按收得率80～85％計算，其他合金(Zn)元素按收得率100％計算。優(yōu)選的，所述混合熔劑為LiCl和LiF混合熔劑。更優(yōu)選所述LiCl和LiF混合熔劑中LiCl和LiF的質(zhì)量比為1∶2～4。優(yōu)選的，所述混合熔劑的用量為使得覆蓋在熔體表面厚度為5～10mm。優(yōu)選的，步驟S3中，所述精煉采用六氯乙烷進行精煉，精煉溫度為540±20℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.2～0.3％。優(yōu)選的，還包括對步驟S3獲得的合金鑄錠材料進行均勻化處理，以及熱擠壓或軋制變形加工的處理。優(yōu)選的，所述均勻化處理溫度為320～380℃，處理時間4～10h；所述熱擠壓加工的形變溫度為190～280℃，擠壓比為6～50∶1；所述軋制變形加工的形變溫度為190～280℃，每道次軋制量為10～30％；所述熱擠壓或軋制變形后水冷或空冷后得到生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金塑性形變加工態(tài)材料。優(yōu)選的，步驟S3后，還可包括通過鑄造工藝把合金鑄錠材料進一步制備成三維聯(lián)通組織工程支架，通過擠壓軋制拉拔組合工藝把合金形變態(tài)材料加工成絲材以及支架用毛細管材的步驟。第三方面，本發(fā)明還涉及一種前述的生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金材料在制備可降解醫(yī)用植入器械中的用途。優(yōu)選的，所述可降解醫(yī)用植入器械為植入支架、骨內(nèi)植物、頜面外科及顱腦外科植入器械、手術(shù)縫合線、各種手術(shù)用補片、吻合器、血管夾或神經(jīng)修復導管；所述植入支架包括血管支架、膽管支架、氣管支架、尿道支架、食道支架或腸道支架；所述骨內(nèi)植物包括骨板、骨釘、內(nèi)固定螺釘、髓內(nèi)針或骨組織工程支架。優(yōu)選的，所述補片包括腸道外科手術(shù)用補片或顱腦外科手術(shù)用補片；所述吻合器包括腸道吻合器、血管吻合器。本發(fā)明通過在基體Zn中加入一定量的Li元素，大幅度改善合金的力學性能的同時還能調(diào)節(jié)鋅合金在生物體環(huán)境內(nèi)的腐蝕降解速率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：1、本發(fā)明的鋅鋰二元合金可以在人體內(nèi)自然降解，達到醫(yī)療效果后在一定時間內(nèi)會從體內(nèi)降解消失最終通過代謝安全地排出體外。2、本發(fā)明的鋅合金選用鋰元素作為主要的合金化元素，可以顯著提高鋅鋰二元合金的強度和塑性，最高拉伸斷裂強度達到了501MPa，拉伸延伸率達到了48％。而且通過控制Li元素的含量(0.55～10wt.％，更優(yōu)選1％～3％以及4.1～10％，最優(yōu)選1.0～3wt.％)可以實現(xiàn)強度和塑性的調(diào)節(jié)。3、本發(fā)明的鋅合金綜合具備良好的力學性能、耐腐蝕性能和生物相容性。根據(jù)不同用途對材料性能的要求，適當調(diào)節(jié)Li元素的含量，可以獲得相應(yīng)的力學性能、耐腐蝕性能。如適當降低Li元素的含量，可以獲得中等強度高塑性耐腐蝕的材料，適合用作拉拔成絲材和血管支架用毛細管材；適當增加Li元素的含量，腐蝕速率相應(yīng)增加，可以獲得高強度中等塑性的材料，適合用作骨內(nèi)植物材料。4、與鋅元素類似，本發(fā)明中Zn-Li合金中的鋰元素本身也是人體必需的微量元素之一；鋰對人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用是很明顯的，鋰鹽對于改善和穩(wěn)定情緒及防止精神分裂癥是有效的，它還能改善幻覺和妄想等分裂癥的陽性癥狀。醫(yī)學上用碳酸鋰、硫酸鋰、谷氨酸鋰等鋰鹽來控制和治療精神狂躁癥。Li+離子對動脈粥樣硬化發(fā)病率有預防作用。正常人對鋰的飲食需要量約為60～100μg/d，鋰的攝入量低于25μg/d將產(chǎn)生不利影響。5、本發(fā)明的鋅鋰二元合金組成簡單，合金制備工藝簡便，方便控制材料質(zhì)量。同時腐蝕降解產(chǎn)物離子種類少，對人體的潛在危害小，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有更好的生物相容性。具體實施方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。實施例1本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為0.55％，其余為Zn。該合金材料的制備步驟如下：S1、根據(jù)上述合金配比稱取各原材料；S2、在內(nèi)壁涂有保護涂層的鐵坩堝中放入純鋅(純度≥99.995％)，升溫至420℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至580℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至540℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰(純度≥99.999％)，待純鋰熔化后，攪拌均勻，形成合金熔體；S3、對所述合金熔體采用六氯乙烷進行精煉，精煉溫度為540±5℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.25％；精煉完成后在540±5℃靜置12min，澆注后冷卻，得到生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金鑄錠材料；S4、對獲得的合金鑄錠材料進行均勻化處理、以及熱擠壓或軋制變形加工的處理，到生物可降解醫(yī)用鋅鋰二元合金塑性形變加工態(tài)材料；其中，均勻化處理溫度為350℃，處理時間8h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為250℃，擠壓比為28∶1或每道次軋制量20％，擠壓或軋制變形后水冷。實施例2本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為10％，其余為Zn。該合金材料的制備方法同實施例1，所不同之處在于：S2、放入純鋅后升溫至430℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至600℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至550℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰；s3、精煉溫度為540±10℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.2％；精煉完成后在540±10℃靜置10min；S4、均勻化處理溫度為320℃，處理時間10h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為190℃，擠壓比為50∶1或每道次軋制量30％。實施例3本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為4.1％，其余為Zn。該合金材料的制備方法同實施例1，所不同之處在于：S2、放入純鋅后升溫至440℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至590℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至560℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰；S3、精煉溫度為540±10℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.3％；精煉完成后在540±10℃靜置15min；S4、均勻化處理溫度為380℃，處理時間6h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為250℃，擠壓比為6∶1或每道次軋制量10％。實施例4本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為1.0％，其余為Zn。該合金材料的制備方法同實施例1，所不同之處在于：S2、放入純鋅后升溫至440℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至620℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至560℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰；S3、精煉溫度為550±10℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.3％；精煉完成后在550±10℃靜置15min；S4、均勻化處理溫度為380℃，處理時間6h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為280℃，擠壓比為6∶1或每道次軋制量10％。實施例5本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為2.0％，其余為Zn。該合金材料的制備方法同實施例1，所不同之處在于：S2、放入純鋅后升溫至435℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至600℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至560℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰；S3、精煉溫度為550±10℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.3％；精煉完成后在550±10℃靜置15min；S4、均勻化處理溫度為380℃，處理時間6h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為280℃，擠壓比為6∶1或每道次軋制量10％。實施例6本實施例涉及的一種可降解醫(yī)用Zn-Li合金材料，該合金材料包括如下重量百分含量的合金組分：Li為3％，其余為Zn。該合金材料的制備方法同實施例1，所不同之處在于：S2、放入純鋅后升溫至420℃待純鋅完全熔化后，將鋅熔體升溫至610℃，此時加入LiCl和LiF混合熔劑(質(zhì)量比為1∶3)，待上述混合溶劑完全覆蓋鋅熔體表面后，再將鋅熔體溫度降至550℃，此時在Ar氣的保護下加入純鋰；S3、精煉溫度為540±10℃，六氯乙烷的量為合金熔體總重量的0.2％；精煉完成后在540±10℃靜置13min；S4、均勻化處理溫度為340℃，處理時間7h；熱擠壓或軋制加工形變溫度為220℃，擠壓比為15∶1或每道次軋制量15％。實施例７以實施例1～6制得的擠壓變形態(tài)的Zn-Li合金，進行模擬體液(Hank’s溶液)浸泡實驗，測得Zn-Li二元鋅合金的腐蝕速率如表1：表1序號實驗材料腐蝕速率(mm/y)1實施例10.122實施例20.293實施例30.214實施例40.145實施例50.166實施例60.17本實施例依據(jù)ASTM-G31-72標準測試方法對Zn-Li二元鋅合金的體外降解速率進行了研究，發(fā)現(xiàn)在37℃的模擬人體體液環(huán)境中，Zn-Li二元鋅合金的降解速率緩慢，且可通過調(diào)節(jié)Li元素的含量來調(diào)控。實施例８以實施例1～6制得的擠壓形變態(tài)的Zn-Li合金，進行拉伸強度試驗結(jié)果如表2所示。表2本實施例根據(jù)GB/T228.1-2010測試標準，對Zn-Li二元鋅合金實施例1～6進行拉伸力學性能測試，結(jié)果如表2所示。研究發(fā)現(xiàn)，Zn-Li二元合金的屈服強度最高為501MPa，斷裂延伸率最高為50％；遠高于同等測試條件下Zn-Fe-Li系鋅合金(Zn99.975％、Fe0.01％、Li0.015％)的屈服強度290MPa、斷裂延伸率36％。通過合理添加Li元素的含量(0.55～10wt.％，最優(yōu)選1.0～3wt.％)，可以獲得不同強度和塑性的鋅合金，滿足不同醫(yī)用可降解材料對鋅合金的性能要求。實施例７以實施例1～6制得的Zn-Li合金，進行體外細胞毒性測試。本實施例根據(jù)GB/T16886.5-2003對鋅合金進行了體外細胞(L-929成纖維細胞)毒性測試，得到上述鋅合金降解產(chǎn)物對細胞活性沒有明顯影響，細胞毒性為1級，顯示出優(yōu)良的細胞相容性。實施例８對于上述實施例1-6所述的Zn-Li合金材料，可進一步通過常規(guī)鑄造工藝把Zn-Li鑄錠材料制備成三維聯(lián)通組織工程支架；通過擠壓軋制拉拔組合工藝把Zn-Li形變態(tài)材料加工成絲材以及支架用毛細管材。從而可進一步制備成體內(nèi)可降解的醫(yī)用植入器械。所述可降解醫(yī)用植入器械為植入支架、骨內(nèi)植物、頜面外科及顱腦外科植入器械、手術(shù)縫合線、各種手術(shù)用補片、吻合器、血管夾或神經(jīng)修復導管等。其中植入支架包括血管支架、膽管支架、氣管支架、尿道支架、食道支架或腸道支架；骨內(nèi)植物器械包括骨板、骨釘、內(nèi)固定螺釘、髓內(nèi)針或骨組織工程支架等；補片包括腸道外科手術(shù)用補片以及顱腦外科手術(shù)用補片；吻合器包括腸道吻合器、血管吻合器等。以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容，都應(yīng)當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁1 2 3