本发明涉及的是一种可完全生物体内降解的生物医用材料领域的Zn基合金材料，具体来说，涉及的是一种医用可降解的Zn-Cu-X合金材料及其制备方法。
背景技术：
目前，手术植入人体内的医用材料一般采用的是不可降解的金属材料，例如奥氏体不锈钢、钴铬合金、医用钽、钛及其合金、镍钛形状记忆合金、铂铱合金。这些永久性植入材料的应用在临床上存在一定的弊端。因此，生物体内可降解吸收材料成为了生物材料发展的一个重要方向，目前临床应用的生物体内可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料，如聚乳酸、磷酸钙等等。但由于聚合物材料强度偏低、陶瓷材料的塑性较差而限制了其在临床上的广泛应用。
近年来，可降解金属基医用生物材料受到了人们的特别关注，这类新型的金属基可降解医用生物材料的提出改变了人们对于金属基植入材料的传统观念，即采用生物活性材料作为金属植入材料。目前，可降解金属基生物材料主要有三大类：铁基、镁基和锌基合金，他们巧妙地利用这些合金在人体环境中易发生腐蚀的特性，来实现金属植入器件在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。同时，由于他们为金属基材料，相对于聚合物和某些陶瓷材料来说，其强度、塑性、刚度、加工性能均远优于现已开始临床医用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更适合在骨科和心血管介入支架方面的临床应用。
前述的三类金属基生物材料中，铁基生物材料降解速率比较慢；而镁基生物材料的腐蚀降解速度又相对较快，因此对于镁基生物材料往往需要进行表面改性处理来降低其降解速度；锌基生物材料的降解腐蚀速率居于上述两类生物材料之间，其腐蚀速度最容易满足临床的需要。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，因此锌具有良好的生物相容性。然而，纯锌 的力学性能较差，强度和塑性都不能满足植入的要求。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，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。选择对人体无害或者毒害性极小的合金元素对纯锌进行合金化处理，然后对合金化后的锌合金进行热处理及塑性变形加工，获得满足临床需要的可降解的锌合金医用生物材料。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种医用可降解Zn-Cu-X合金材料，所述合金材料包括以下重量百分比的各元素：1≤Cu≤10％，0＜X≤4％，余量为锌；所述元素X为Mg，Ca，Sr，Si，Fe，Mn，Ag，Y，Nd，Gd，Er，Ho或Dy中的一种或多种的混合。
优选地，所述X为Mg，Fe，Ag，Nd，Gd。
所述Zn-Cu-X合金材料中，Cu含量过高会导致合金材料的综合力学性能下降、同时合金的腐蚀降解速率大幅度增加；Cu含量过低会时(Cu含量小于1％时)合金的延伸率较低导致合金在制备成医疗植入器械的过程中加工困难，且合金含量过低使得合金抗菌效果不明显。
本发明还提供了一种医用可降解Zn-Cu-X合金材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：根据权利要求1所述的合金元素配比秤取各原料；
步骤S2：依次将纯锌、含Cu原料、含X原料加热熔化，搅拌均匀，形成合金熔体；
步骤S3：合金熔体经过精炼、静置、铸造后冷却得到医用可降解Zn-Cu-X合金材料。
优选地，步骤S2中，所述含Cu原料为纯Cu或Cu-Zn中间合金；所述含X原料为纯X、Zn-X中间合金或者Cu-X中间合金中的一种或多种。
更优选地，所述含Cu原料为Cu-Zn中间合金；所述含X原料为Zn-X中间合金。
优选地，步骤S2中，所述依次将纯锌、含Cu原料、含X原料加热熔化具体为：先将纯锌加入熔化，待熔体温度上升至530～550℃时加入含Cu原料，待含Cu原料完全熔化后，再加入含X原料。
更优选地，所述待含Cu原料完全熔化后，在480～510℃下加入含X原料。
优选地，所述步骤S3中，采用六氯乙烷进行精炼，精炼温度为500±20℃。
优选地，所述六氯乙烷的量为合金熔体总重量的0.2～0.3％。
优选地，步骤S3中，所述静置温度为500±20℃，静置时间10～15min。
优选地，还包括对步骤S3获得的合金材料进行均匀化处理、以及热挤压或轧制变形的处理。
优选地，所述均匀化处理温度为350～380℃，处理时间6～10h；所述热挤压温度为300～320℃，挤压比为9～30:1。
本发明通过在基体Zn中加入一定量的具有抗菌效果的Cu元素，大幅度改善合金的力学性能的同时还能使合金在生物体内环境下具有抗菌等生物学功效；同时加入另一种组元X，利用其具有促进生物体组织修复、消炎等生物学功效或是调控合金组织而调控合金力学性能、腐蚀降解性能等功效，从而进一步的改善Zn-Cu基合金的力学性能、腐蚀降解性能及生物学性能。
本发明是一种由完全有生物安全性的人体营养元素Zn、Cu、X元素组成的多元可降解Zn基合金材料，具有良好的生物相容性、优异的力学性能和可调控的腐蚀速率，在医用可降解内植入材料领域具有重要的应用潜力，具有良好的应用前景。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、选用锌基合金作为可降解医用金属材料。众所周知，锌为人体最为基本的必要微量元素。其中，锌能促进细胞的更新，可增强人体的免疫能力，维持肌体的生长和发育。锌是许多蛋白质、核酸合成酶的成分，是上百种酶的活性中心。锌又为胰岛素成分，是维持生命正常活动的关键因素。因此，锌基合金具有良好的生物相容性。同时锌合金的腐蚀降解速率介于铁基合金和镁基合金之间，其腐蚀速率最适于临床应用。
2、选用铜合金作为主要的合金化元素。铜占人体体重的百万分之一，每人约含100～150mg。成年人每天必须摄入3～5mg铜，才能维持代谢的平衡。铜的生理功用主要有如下几个方面：1)维护正常的造血机能，表现在以下两方面：①促进铁的吸收和运输；②铜蓝蛋白能促进血红素和血红蛋白的合成。2)维护骨骼、血管和皮肤的正常。铜酶赖氨酰氧化酶促进骨骼、血管和皮肤胶原和弹性蛋白的交联。3)维护中枢神经系统的健康。4)保护肌体细胞免受超氧离子的毒害。5)铜离子能够诱导内皮生长因子，促进内皮细胞的增殖，加快血管再生过程，但阻止平滑肌细胞的过度增殖；并能抑制血栓形成等功效，可有效降低血管支架等植入后引发的再狭窄率(参考文献：G.f.Hu.Copper stimulates proliferation of human endothelial cells under culture[J].Journal of Cellular Biochemistry.1998,69(3):326-335.)。6)铜离子能够通过促 进骨胶原的沉积而促进骨组织的形成与生长，即具有促进成骨作用(参考文献：C.Gérard，L.-J.Bordeleau，J.Barralet，C.J.Doillon.The stimulation of angiogenesis and collagen deposition by copper[J].Biomaterials.2010,31(5):824-831.)。7)铜离子具有杀菌效果，这对于植入器械具有重要价值，可以避免器件植入之后引起感染，从而减轻患者的痛苦与麻烦。8)其他：铜对胆固醇代谢、心肌细胞氧化代谢、肌体防御机能、激素分泌等许多生理、生化和病理生理过程也有影响。因此，选择铜元素为锌基合金的主要添加合金化元素，一方面增加锌的强度和塑性起到强韧化材料的作用，另一方面材料在降解的过程中，微量的铜离子的释放是对人体具有上述有益的生物功能作用。
3、本发明的锌合金添加有益的合金化组元X后(X为Mg，Ca，Sr，Si，Fe，Mn，Ag，Y，Nd，Gd，Er，Ho及Dy中的一种或多种的混合)，可通过其含量的调控来进一步优化合金的组织，从而改善合金的力学性能及生物相容性能，并可以适当调控合金的腐蚀降解速率。可获得的抗拉强度为230～500MPa，屈服强度为180MPa～430MPa，延伸率为3～55％的板材、棒材或线材等，且腐蚀降解速度在0.02～1.0mm/year范围内。
4、由于本合金属于变形锌合金，塑性优于镁基生物材料，因此非常便于加工成植入器件，特别是可以方便的加工成心血管介入治疗用支架产品。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为3％，Mg为0.5％，其余为Zn。
本实施例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，加入H62黄铜 (Cu-38wt.％Zn中间合金)，待H62完全熔化后，在500℃加入纯Mg(纯度大于99.99％)，随后对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行350℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在280℃进行挤压比9:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Mg合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为425MPa，断裂强度为430MPa，延伸率约3％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.03mm/year。该合金具有高的强度和比较低的延伸率，且含有的Mg及Cu元素具有促进骨增殖、愈合的效果，适合制作部分骨科内可降解植入器械。
实施例2
本实施例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为6％，Gd为0.1％，其余为Zn。
本实施例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，加入H62黄铜(Cu-38wt.％Zn中间合金)，待H62完全熔化后，再加入Zn-30％Gd中间合金，待该中间合金完全熔化后，再对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行360℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在300℃进行挤压比20:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Gd合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为290MPa，断裂强度为320MPa，延伸率约45％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.3mm/year，该合金由于具有优异的塑性和比较好的强度，方便加工成不同尺寸及形状要求的可降解植入器械。
实施例3
本实施例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为2％，Mg为0.6％，Gd为0.03％，其余为Zn。
本实施例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，依次加入H62黄铜(Cu-38wt.％Zn中间合金)和Zn-30％Gd中间合金，待前述的这两种中间合金都完全熔化后，在500℃加入纯Mg(纯度大于99.99％)，随后对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行370℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在300℃进行挤压比9:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Mg-Gd合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为390MPa，断裂强度为410MPa，延伸率约23％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.08mm/year.该合金具有中等塑性和比较好的强度值，适用于制备一些对于塑性和强度都具有一定要求的医疗植入器械产品。
实施例4
本实施例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为2％，Ag为0.1％，其余为Zn。
本实施例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，依次加入H62黄铜(Cu-38wt.％Zn中间合金)，待该中间合金都完全熔化后，再在500℃加入Zn-40wt.％Ag(杂质含量低于0.01％)，待其完全熔化后对合金熔体进行适度搅拌，并采用六氯乙烷进行精炼后静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行370℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在310℃进行挤压比9:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Ag合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为360MPa，断裂强度为395MPa，延伸率约17％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.6mm/year。该合金具有较高的强度和较好的延伸率，且因含有的Ag及Cu元素具有良好的抗菌效果，适合制作部分对抗菌性能要求比较高的一些特殊可降解植入器械。
对比例1
本对比例设计一种Zn-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Mg为1％，其余为Zn。
本对比例还涉及前述可降解医用Zn-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，在500℃加入纯Mg(纯度大于99.99％)，随后对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行350℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在280℃进行挤压比9:1的挤压并水冷，得到Zn-Mg合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为387MPa，断裂强度为402MPa，延伸率约2％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.13mm/year。该合金具有高的强度和非常低的延伸率导致合金材料不便于塑性加工成所需的产品，且不含有Cu元素使得材料抗菌效果不明显。Zn-1％Mg合金综合使用性能比Zn-4％Cu-1％Mg差，特别是材料的塑性及其抗菌性能导致实施效果不理想。
对比例2
本对比例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为4％，Mg为5％，其余为Zn。
本对比例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，加入H62黄铜(Cu-38wt.％Zn中间合金)，待H62完全熔化后，再在500℃加入纯Mg(纯度大于99.99％)，随后对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行350℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在280℃进行挤压比9:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Mg合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为460MPa，断裂强度为480MPa，延伸率约1％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.73mm/year。该合金具有很高的强度和非常低 的延伸率，难以加工成所需的医疗器械植入产品且容易产生脆性断裂，实施效果不理想。
对比例3
本对比例设计一种可降解医用Zn-Cu-X合金材料，该合金材料包括如下重量百分含量的合金组分：Cu为15％，Gd为0.1％，其余为Zn。
本对比例还涉及前述可降解医用Zn-Cu-X合金材料的制备方法，制备方法包括如下步骤：
不计熔炼过程中合金元素的烧损进行合金原料配比，采用电阻熔炼的方式，在坩埚中将纯Zn(纯度大于99.994％)加热熔化，当熔体温度上升至550℃时，加入H62黄铜(Cu-38wt.％Zn中间合金)，待H62完全熔化后，再加入Zn-30％Gd中间合金，待该中间合金完全熔化后，再对合金熔体进行适度搅拌和采用六氯乙烷进行精炼，并静置10～15min后进行浇注。待温度降低至200℃以下后，开模，取出试样并进行水冷获得铸锭毛坯。将毛坯进行360℃8个小时均匀化处理后，车削加工成直径60mm的圆柱形锭，再在300℃进行挤压比20:1的挤压并水冷，得到Zn-Cu-Gd合金棒材。
实施效果：合金屈服强度为260MPa，断裂强度为310MPa，延伸率约28％，在37℃的模拟体液hanks’中的腐蚀降解速率为0.27mm/year，该合金虽然依旧具有优异的塑性和比较好的强度，但是该合金相对于实施例2中的Zn-6Cu-0.1Gd(wt.％)合金来说，材料的力学性能有所下降，同时由于Cu的大量的加入，其合金成本也有所提高，相比之下，实施效果表现为成本更高、但得到的材料的性能却有所下降。因此，主要合金元素Cu的含量应该优选为1≤Cu≤10％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。