一种Zn-Li-Mg系锌合金及其制备方法与应用与流程

文档序号:14923838发布日期:2018-07-13 09:14
本发明涉及一种Zn-Li-Mg系锌合金及其制备方法与应用,属于医用金属材料制备
技术领域

背景技术
:使用生物材料制作的医疗器械,在植入生物有机体内后,会与有机体发生相互作用。这些作用可用于辅助诊断、治疗或者帮助有机体病损组织器官修复、替换。很显然,根据植入医疗器械的目的不同,其所适宜的植入时间长度也不尽相同:有些器械适合在体内长期存在,从而达到长期服役促进疗效的目的;而有些器械只需暂时或短时起作用,因此需要在生物组织或器官的修复或再生过程中,这些器械逐步被降解、吸收。根据不同使用目的,植入有机体的生物材料可大体分为永久性生物材料和可降解生物材料两大类。其中永久性生物材料包括永久性金属生物材料、永久性陶瓷材料和永久性高分子材料。而所谓永久性金属生物材料,主要包括不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金、锆基合金、钽和金、银、铂等贵金属。目前永久性金属生物材料是生物医用材料中用量最大的一类。这类材料具有良好的强度和韧性、杰出的耐腐蚀和抗疲劳性能、以及优异的加工性能,现已广泛应用于心血管植介入治疗和人体硬组织修复(如骨骼、牙齿、关节等修复及替换)等领域。可降解金属是本世纪初开始迅速发展的以镁基合金和铁基合金为代表的一类新型医用金属材料,这类材料突破了以往只是将金属植入物作为生物惰性材料使用的传统想法,而是另辟蹊径,巧妙地利用植入金属在人体环境(含氯离子)中容易发生腐蚀(降解)的特性,期待能以可控方式实现金属植入物在体内的修复功能,并最终在人体组织完成重建/功能修复之后完全降解为对人体无害的金属离子和其他产物。但铁基合金、镁基合金两种材料各有其不足之处。最初被研究的可降解金属是铁基合金,其缺点是在人体内降解速度过慢,且降解产物对人体有一定的毒副作用,因此后来镁基合金(如AZ31、WE43、Mg-Ca等)逐渐成为研究热点。尽管镁基合金作为生物材料有着诱人的应用前景,但研究发现,镁基合金腐蚀速度过快,在组织器官没有充分愈合之前,植入物便很快会丧失其机械完整性。为了满足实际临床需求,有必要开发新型的生物可降解金属。在工业领域,锌金属及其合金是常用的金属材料。在工业上,锌金属及其合金因为具有化学性质活泼、易于腐蚀的特点,所以常常被用作电化学腐蚀保护中被牺牲的阳极材料。但与镁相比,锌金属及其合金的腐蚀电位更高,腐蚀速率更慢,因此更加符合实际临床需要,有望成为新型生物医用可降解植入材料及器件。在生命科学领域,锌也同样具有重要地位。锌是人体中丰富程度仅次于铁的第二号元素。人体含锌总量约占体重0.003%,其中90%存在于肌肉和骨骼,10%存在于血液中。根据不同年龄,锌的人体推荐每日摄入量(RDA)在2-13mg之间。人体主要通过小肠吸收锌,主要储存于肝、肾之中,在细胞内与金属蛋白进行结合。锌是300多种酶的组成成分,能够维持免疫功能和促进生长发育。锌可以调节生物基因表现,例如促进胰岛素分泌,通过促进吞噬功能和产生免疫球蛋白来提高生物体免疫力。锌可以保护心肌细胞免受急性氧化应激损伤,在心肌损伤时预防炎症反应,促进伤口愈合,并在心肌恢复的过程中促进心肌干细胞的存活。动脉粥样硬化一般伴随着内皮细胞损伤。有研究表明锌可以保护内皮细胞并保持其完整性,锌通过调控转录因子NF-kB与DNA的结合来调控细胞的凋亡和炎症反应。在内皮细胞内,锌通过抑制NF-kB的活性,减少内皮细胞粘附蛋白的表达,从而降低动脉粥样硬化的风险。体外细胞实验显示,锌离子在低浓度时能够促进内皮细胞和平滑肌细胞的增殖、粘附和迁移,而高浓度时则作用相反。受锌离子影响的相关基因与细胞粘附、损伤、生长、成血管、炎症、凝血有关。对于内皮细胞和平滑肌细胞,这个浓度分别约为100μM和80μM。在骨环境中,成骨细胞内的锌通过激活tRNA合成酶和刺激基因表达来促进蛋白质的合成,同时也增加细胞内DNA数量,从而促进成骨细胞新骨生成和矿化。同时,锌通过调控钙离子信号通路,促进破骨细胞的的凋亡。锌通过促成骨和抑制骨吸收最终使骨质量增加,与其他微量元素相比,锌在骨的新陈代谢中的毒性最小。缺锌会引起表皮,肠道,中枢神经,免疫系统,骨骼和生殖系统产生一系列的相关问题。技术实现要素:本发明的目的是提供一种Zn-Li-Mg系锌合金及其制备方法与应用,本发明制备的锌合金力学性能优异,能够在体内提供长期有效的支撑力,具有优异的细胞相容性和血液相容性,可用于生物医用植入物的制备。本发明提供的一种Zn-Li-Mg系锌合金,它包括Zn、Li和Mg;以重量百分比计,所述锌合金中Li的质量百分数为0~1%,但不包括0;所述锌合金中Mg的质量百分数为0~1%,但不包括0;余量为锌。上述的锌合金中,所述锌合金还包括微量元素;所述锌合金中,所述微量元素的质量百分含量为0~3%,但不包括0;所述微量元素为锰、锶、钙、硅、磷、银、铜、锡、铁和稀土元素中的至少一种。本发明提供的Zn-Li-Mg系锌合金具体为下述1)-9)中任一种,为重量百分比:1)由99.8%的Zn,0.1%的Li和0.1%Mg组成;2)由99.5%的Zn,0.1%的Li和0.4%Mg组成;3)由99.1%的Zn,0.1%的Li和0.8%Mg组成;4)由99.5%的Zn,0.4%的Li和0.1%Mg组成;5)由99.2%的Zn,0.4%的Li和0.4%Mg组成;6)由98.8%的Zn,0.4%的Li和0.8%Mg组成;7)由99.1%的Zn,0.8%的Li和0.1%Mg组成;8)由98.8%的Zn,0.8%的Li和0.4%Mg组成;9)由98.4%的Zn,0.8%的Li和0.8%Mg组成。本发明还提供了上述Zn-Li-Mg系锌合金的制备方法,包括如下步骤:(1)按照所述锌合金中质量百分比称取含所述Zn、所述Li和所述Mg原料混合,得到混合物;(2)在CO2和SF6气氛保护下,将所述混合物进行熔炼,然后经浇注、冷却,即得到所述Zn-Li-Mg系锌合金。上述的制备方法中,步骤(1)中还包括加入所述微量元素混合的步骤;所述方法还包括将所述混合物进行熔炼后进行静置的步骤;所述静置的目的是让杂质沉降、提高制备所述锌合金材料的纯度;所述熔炼的温度可为420~600℃,具体可为600℃。上述的制备方法中,所述方法还包括对所述Zn-Li-Mg系锌合金进行机械加工的步骤;所述机械加工为挤压、轧制、锻造和快速凝固中至少一种。上述的制备方法中,所述方法中在所述机械加工之前对所述Zn-Li-Mg系锌合金进行均匀化处理的步骤;所述处理的温度可为300~400摄氏度,时间可为12~48小时;所述均匀化处理后进行水淬、油淬或空冷(即在空气中冷却);所述挤压的温度可为150~280℃,挤压比可为10~70,挤压速度可为0.1~10mm/s;所述挤压的温度具体可为260℃或220℃,挤压比具体可为36或16,挤压速度具体可为1mm/s制备出直径具体可为10mm;所述挤压之前包括保温的步骤,具体可为保温2h,保温温度260℃或220℃;所述轧制包括依次进行热轧和精轧,所述热轧在200~300℃下进行,所述精轧在150~250℃下进行,每道次轧下量1~20%,所述Zn-Li-Mg系锌合金被轧制1~3mm;所述轧制包括保温的步骤,具体可为温度270℃下保温15分钟;所述锻造包括将所述Zn-Li-Mg系锌合金在150~200℃的条件下进行保温,然后在200~300℃的条件下进行锻造的步骤,所述保温的时间为3~50小时,所述锻造的速率不小于350mm/s;所述快速凝固包括如下步骤:在惰性气氛保护下,采用高真空快淬系统将所述Zn-Li-Mg系锌合金制成快速凝固薄带,然后将所述薄带破碎成粉末状,最后在200~350℃的条件下,真空热压1~24h。本发明中,所述快速凝固中采用的惰性气氛具体可为氩气;所述高真空快淬系统的设置如下:加料量2~8g、感应加热功率为3~7kW、喷嘴与辊间距为0.80mm、喷射压力为0.05~0.2MPa、辊轮转速为500~3000r/min及喷嘴狭缝尺寸为1film×8mm×6mm。上述的制备方法中,所述方法还包括将所述锌合金加工成毛细管材的步骤。本发明中,所述锌合金加工成毛细管材的方法,具体包括吐下步骤:(1)将所述锌合金铸锭加热至150~280℃,保温0.5~1小时,预热棒材挤压磨具200~350℃,以16~36挤压比对铸锭进行挤压,挤压速度0.1~10mm/s,得到直径10mm的棒材;(2)将挤压的得到的棒材截取10~50mm加工成管坯,作为挤压毛细管用;(3)将管坯放入分流挤压模具中进行挤压,挤压温度150~280℃,挤压比16~64,挤压模冲头速度20~30mm/s,得到外径尺寸2~5mm,壁厚0.1~0.5mm,长度300~1000mm的毛细管;(4)将上述毛细管于100~300℃范围内进行0.5~24小时去应力退火处理,得到Zn合金毛细管材。本发明还提供了上述Zn-Li-Mg系锌合金在制备可体液降解医用植入体中的应用。上述的应用中,所述应用包括下述1)-4)中任一种:1)所述Zn-Li-Mg系锌合金作为可降解支架的应用,所述支架包括血管支架、食道支架、肠道支架、气管支架、胆道支架、尿道支架和前列腺支架中的至少一种;2)所述Zn-Li-Mg系锌合金作为可降解骨科用植入物的应用,所述骨科植入物包括骨板、骨钉、骨针、骨棒、脊柱内固定器材、结扎丝、聚髌器、骨蜡、骨修复材料、骨组织修复支架、髓内针和接骨套中的至少一种;3)所述Zn-Li-Mg系锌合金作为可降解缝合材料的应用,所述缝合材料包括可吸收缝合线、皮肤缝合钉和医用拉链中的至少一种。4)所述Zn-Li-Mg系锌合金作为齿科材料的应用,所述齿科材料包括齿科植入材料、根管锉和牙齿充填材料中的至少一种。本发明中,所述Zn-Li-Mg系锌合金具备其下述a)-d)性能可用于制备可体液降解医用植入体:a)所述Zn-Li-Mg系锌合金优异的综合力学性能,包括强度、硬度和塑性;b)所述Zn-Li-Mg系锌合金的血液相容性;c)所述Zn-Li-Mg系锌合金的细胞相容性;d)所述Zn-Li-Mg系锌合金的可降解性。本发明进一步提供了一种可体液降解医用植入体,该植入体采用所述Zn-Li-Mg系锌合金制备得到。本发明具有以下优点:(1)本发明制备的Zn-Li-Mg系合金的机械性能优异,同时具备优良力学性能,能够满足体内不同部位的要求。同时又可以在体内被吸收、自然降解,具有“可调控的体内腐蚀降解特性”和“提供有效的力学支撑”的特点。(2)本发明Zn-Li-Mg系合金用于可降解医用植入体时,在植入体内后可以为受伤部位提供长期有效的医学支撑保护作用(如固定保护骨组织或者支撑狭窄的血管),又能在组织修复的同时,逐渐被体内环境吸收、降解。材料数量和体积逐渐减少,材料的降解产物和释放出的离子能够被机体吸收、代谢,帮助机体恢复并逐渐的排出体外,在机体完全恢复后,材料完全被吸收降解,无需二次取出。(3)本发明提供的锌合金由Zn、Li、Mg组成,均为人体内所需的微量元素,在体内降解可以被人体自然代谢,具有生物安全性。(4)本发明提供的锌合金中,除纯锌外,均为微量元素,即微合金化,能够在获得优异性能的同时,使材料的成分简化,有利于为后续材料的安全性和有效性研究提供方便。(5)本发明提供的锌合金中Li元素起到显著强化基体的效果,Mg元素进一步提高力学强度,并可以起到促进成骨的效果,通过调整不同元素的种类和成分,可以获得力学性能,降解性能和功能不同的合金材料,分别应用于体内不同环境下植入器械。(6)本发明提供的锌合金可获得强度为391~681MPa,延伸率为1.39%~8.92%的棒材或板材,具有优异的强度,其中成分为Zn0.8Li0.1Mg的锌合金前强度为681MPa,是目前报道的可降解锌合金中延伸率最高的锌合金,降解速率1.74mm/year附近。材料对内皮细胞,平滑肌细胞和成骨细胞均无毒性,能够促进内皮和成骨细胞增殖,血液相容性优异,且加入Mg可以产生促成骨的作用,锌合金本身还有抗菌效果,可以制备一些有特殊用途的医疗器械。附图说明图1为本发明实施例1制备的Zn-Li-Mg系锌合金铸锭的照片。图2为本发明实施例2制备的Zn-Li-Mg系锌合金棒材的照片。图3为本发明实施例3制备的Zn-Li-Mg系锌合金板材的照片。图4为本发明实施例1制备的Zn-Li-Mg系锌合金的应力应变曲线。图5为本发明Zn-Li-Mg系锌合金在模拟体液中的电化学腐蚀曲线。图6为平滑肌细胞在本发明Zn-Li-Mg系锌合金100%浸提液中的相对存活率。图7为HUVEC人脐静脉内皮细胞在本发明Zn-Li-Mg系锌合金100%浸提液中的相对存活率。图8为MC3T3-E1小鼠成骨细胞在本发明Zn-Li-Mg系锌合金100%浸提液中的相对存活率。图9为人血小板粘附在本发明Zn-Li-Mg系锌合金表面的形态。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。实施例1、制备铸态Zn-Li-Mg系锌合金以纯锌(99.99wt.%)、纯镁(99.9wt.%)、锌锂金属间化合物作为原料,按照下表的质量比:ZnLiMg99.8%0.1%0.1%99.5%0.1%0.4%99.1%0.1%0.8%99.5%0.4%0.1%99.2%0.4%0.4%98.8%0.4%0.8%99.1%0.8%0.1%98.8%0.8%0.4%98.4%0.8%0.8%混合,在CO2+SF6气氛保护下,600℃熔炼,搅拌均匀,经静置、浇注、冷却后即得铸态的Zn-Li-Mg系锌合金(如图1所示)。实施例2、制备挤压态Zn-Li-Mg系锌合金首先按照本发明实施例1中的步骤制备得到铸态的Zn-Li-Mg系锌合金锭,然后采用挤压的方式制备得到Zn-Li-Mg系锌合金棒材(如图2所示),采用径向挤压,铸锭保温2h,保温温度260℃或220℃,挤压温度为260℃或220℃,挤压比为36或16,挤压速度1mm/s制备出直径为10mm的Zn-Li-Mg系锌合金棒材,即挤压态Zn-Li-Mg系锌合金。实施例3、制备轧制态Zn-Li-Mg系锌合金首先按照本发明实施例1中的步骤制备得到铸态的Zn-Li-Mg系锌合金锭,然后采用轧制的方式制备Zn-Li-Mg系锌合金板材(如图3所示),采用单向轧制,依次进行热轧和精轧,轧制前在轧制温度270℃下保温15分钟,热轧在250℃下进行,精轧在200℃下进行,每道次轧下量2%,即得到1~3mm的轧制态Zn-Li-Mg系锌合金。实施例4、Zn-Li-Mg系锌合金力学性能测试将本发明中实施例1制备得到的Zn-Li-Mg系锌合金,分别按照ASTM-E8/E8M-09拉伸测试标准制备拉伸样品,车光。在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后,采用万能材料力学试验机在室温下进行拉伸压缩试验,拉伸速度为0.05mm/mm·min。拉伸强度实验结果如表1所示。表1Zn-Li-Mg系锌合金力学性能由表1中结果可知,本发明Zn-Li-Mg系锌合金的屈服强度最高为470MPa,抗拉强度最高为681MPa,断后延伸率最高为8.92%。如表1中锌合金中添加0.1%或0.5%的Li的力学性能数据可知,通过微合金化加入Li元素能显著提高的材料的强度,通过进一步微合金化加入Mg元素可以进一步提高合金强度,Zn0.8Li0.1Mg的抗拉强度达到681MPa,其应力应变曲线如图4所示,本发明是目前有报道的可降解锌合金中强度最高的一种合金,其优异的力学性能能赋予材料更广的应用范围。实施例5、Zn-Li-Mg系锌合金腐蚀性能测试将本发明实施例2中经挤压的Zn-Li-Mg系锌合金,通过线切割制备Zn-Li-Mg系锌合金试样片,依次经400#、800#、1200#和2000#SiC砂纸系列打磨抛光。在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后,25℃下干燥。之后进行电化学测试,电化学测试是将上述处理好的试样通过Autolab电化学工作站,在Hank’s模拟体液中进行电化学测试。(Hank’s模拟体液NaCl8.0g,CaCl20.14g,KCl0.4g,NaHCO30.35g,葡萄糖1.0g,MgCl2·6H2O0.1g,Na2HPO4·2H2O0.06g,KH2PO40.06g,MgSO4·7H2O0.06g溶解于1L去离子水中)图5是本发明Zn-Li-Mg系锌合金在Hank’s模拟体液中的阳极极化曲线,通过计算得出纯锌、本发明Zn-Li-Mg系锌合金的降解速度是1.74mm/year。实施例6、Zn-Li-Mg系锌合金的细胞相容性实验按本发明实施例2的方法制备得到的Zn-Li-Mg系锌合金,通过线切割制备试样片,经400#、800#、1200#和2000#SiC砂纸系列打磨抛光。在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后,25℃下干燥。通过去离子水对试样进行接触角测试,试样经紫外线消毒灭菌,置于无菌孔板中,按试样表面积与含10%血清和1%双抗(青霉素加链霉素混合溶液)的DMEM细胞培养基按体积之比为1.25cm2/mL的比例加入DMEM细胞培养基,置于37℃、95%相对湿度、5%CO2培养箱中24h,得到Zn-Li-Mg合金100%浸提液原液,将浸提液密封,4℃冰箱保存备用。稀释浸提液与细胞接种培养及结果观察:将HUVEC人脐静脉内皮细胞,VSMC平滑肌细胞和MC3T3-E1小鼠成骨细胞复苏、传代后,悬浮于DMEM细胞培养基中,接种于96孔培养板上,培养24小时后,阴性对照组加入DMEM细胞培养基,阳性对照组加入含10%DMSO的细胞培养基,实验组加入上述得到的Zn-Li-Mg合金稀释浸提液,使最终细胞浓度为2~5×104/mL。置于37℃、5%CO2培养箱中培养,1,2,4天后分别取出培养板,在倒置相差显微镜下观察活细胞的形态并通过CCK8试剂盒进行细胞存活率的测试。图6、图7和图8分别是VSMC细胞,HUVEC细胞和MC3T3-E1细胞在本发明100%Zn-Li-Mg系锌合金浸提液中的相对存活率,根据ISO-10993-5标准,从图中可以看出在培养时间内,本发明Zn-Li-Mg系锌合金浸提液的对三种细胞均无毒性,显示出良好的生物相容性。特别是对内皮细胞和成骨细胞还有明显的促进增殖的作用。符合作为可降解支架材料和骨科植入物的要求。实施例7、Zn-Li-Mg系锌合金血液相容性测试将本发明实施例2经轧制的Zn-Li-Mg系锌合金,通过线切割制备Zn-Li-Mg系锌合金试样片,经400#、800#、1200#和2000#SiC砂纸系列打磨抛光。在丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声清洗15min后,25℃下干燥。采集健康志愿者身上新鲜血液,置于内含3.8wt.%柠檬酸钠作为抗凝剂的抗凝管保存。用0.9%生理盐水按4:5的比例稀释制成稀释血液样本。将试样浸泡在10mL生理盐水,37±0.5℃保温30min,加入0.2mL稀释血液样本,37±0.5℃保温60min。采用10mL生理盐水作为阴性对照组,10mL去离子水作为阳性对照组。经3000rpm离心5分钟,取上清液用Unic-7200紫外可见分光光度计545nm测量吸光度OD值,设置三组平行样以进行统计学分析。用以下公式计算溶血率:溶血率=(实验组OD值-阴性组OD值)/(阳性组OD值-阴性组OD值)×100%。由实验结果显示,本发明Zn-Li-Mg系锌合金的溶血率为1%左右,远远小于临床使用要求的安全阈值5%,表现出良好血液相容性。血小板粘附实验显示(如图9所示),粘附在本发明Zn-Li-Mn系锌合金表面的血小板形态正常,仅有轻微激活。当前第1页1 2 3 
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