一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn‐Fe‐X系鋅合金及其應用的製作方法與工藝

2023-05-21 12:30:46

本發明涉及一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，屬於醫用植入材料技術領域。

背景技術：
鋅離子是人體必需的營養元素，參與人體很多的新陳代謝活動。美國臨床創新機構（ACI）推薦人體每天必需攝入2.5到6.4毫克的鋅，成年人每天攝入大約300毫克鋅才可能會有一定毒性反應。一枚鋅基可降解骨釘每天釋放的鋅大約為0.2~0.3毫克，即使這些鋅離子全部釋放到血管裡，也遠遠低於人體必需的攝入量。也就是說，鋅基可降解骨科植入器械降解釋放的鋅離子不會引起全身毒性。研究還發現，鋅離子在人體組織中的運輸非常迅速，因此鋅基可降解骨科植入器械附近不會出現鋅富集、細胞毒性或壞死。鋅離子在人體內的功能很多，對人體非常重要，其中很重要的一個功能就是促進骨組織生長。研究人員發現由於鋅離子可以激活成骨細胞中的氨醯tRNA合成酶，並可有效抑制破骨細胞的分化與生長，因此鋅離子的存在不僅促進了骨鈣鹽含量的增加，還有利於骨膠原蛋白含量的提高，這說明鋅離子有直接的促成骨功能。另外，研究還發現鋅離子促進軟骨低聚基質蛋白與膠原的結合，是軟骨成長與再生的催化元素。傳統的血管支架一般採用不可降解的金屬製成，其缺點是金屬不可降解、無法取出，滯留在血管內容易引發晚期血栓。大量的臨床病例證實病人植入這類支架1～5年後血栓形成率高達3%～9%，血栓形成後死亡率高達30%。骨釘和骨板是常用的固定骨折和韌帶損傷的醫療植入器械，傳統骨釘和骨板由不可降解的金屬無法取出，必須進行二次手術，對患者帶來極大的創傷。同時，傳統金屬材料強度過高，容易帶來應力屏蔽，導致受傷的骨組織難以再生和癒合。人體內可降解醫用材料正在成為研究和開發的重點，其中可降解高分子材料、純鐵及鐵基合金、純鎂及鎂基合金是近年研究最為深入的材料。可降解高分子材料強度過低，在臨床使用過程中經常會發生斷裂事故，臨床適用性收到極大限制。純鐵及鐵基合金的強度和韌性遠高於高分子材料，但鐵的降解速度太慢，完全降解時間可能長達數年。更為嚴重的是，鐵降解過程中生成的鐵鏽狀物質體積膨脹了數倍，並有明顯的遷移趨勢。純鎂及鎂基合金的降解產物無毒、可降解，但其耐蝕性非常差，在人體內很快就會被降解，無法提供足夠的力學支撐時間。純鋅及其合金也是一種人體環境下可降解的材料，但應用在醫用材料方面仍然存在力學強度低、降解速率不可控的缺點，目前都是通過向其添加其它物質來達到改善力學性能和調控降解速率，如申請號201310756776.1公開的鋅中添加Ce、Mg、Cu、Ca，但該申請製備的鋅合金材料塑性較低，而目前還未發現將價格低廉的鐵作為鋅的添加材料，作為生物醫用材料來使用。

技術實現要素：
本發明的目的是針對現有醫用植入材料存在的不足，提供一種添加材料成本低，強度高、塑性好，降解速率可控，降解產物不膨脹、不遷移，同時可被人體降解的Zn-Fe-X系鋅合金及其應用。本發明提供一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，所述的鋅合金中包括Zn、Fe和X元素，所述的X元素為Mg、Ca、Sr中至少一種；其中Zn元素的質量百分含量為：89.92～99.997%，Fe元素的質量百分含量為：0.002～10%，X元素的質量百分含量為：0.001～0.08%。基於以上合金材料的組成，為了優化力學性能和生物腐蝕性能，我們對合金材料進優化為，所述鋅合金中Zn元素的質量百分含量為：91.95～99.993%，Fe元素的質量百分含量為：0.005～8%，X元素的質量百分含量為：0.002～0.05%。更優選地，所述合金材料的元素組成還包括微量元素，所述微量元素為Li、Si、Mn、稀土元素中至少一種，所述微量元素與Zn的質量比為0～0.056：1。基於以上合金材料的組成，為了優化力學性能和生物腐蝕性能，我們對合金材料優化為，所述鋅合金中微量元素與Zn元素的質量比為0～0.023：1。上述發明所製備的人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，使用本領域常規的方法製備成可降解醫療植入體。因此，本發明還提供一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金在製備可降解醫療器械材料中的應用。所述可降解醫療器械為植入支架、骨科植入器械、齒科植入器械、手術縫合線或吻合器。其中植入支架包括血管支架、氣管支架、尿道支架、食道支架、腸道支架或膽道支架；骨科植入器械包括固定螺絲、固定鉚釘、骨板、骨套、髓內針或骨組織修復支架；吻合器包括腸道吻合器、血管吻合器或神經吻合器。本發明具有如下有益效果：1、添加材料成本低廉，製備的合金材料各成分降解產物可被人體代謝降解；2、耐蝕性遠高於鎂合金，降解速率可控，降解產物不膨脹、不遷移；3、合金材料強度和韌性好，鐵元素在室溫和高溫下具有固溶強化和沉澱強化的雙重作用，能與Zn形成多種穩定的金屬間化合物、起到強化作用，X元素有明顯的固溶強化作用，並有細化晶粒、提高塑性的效果，提高了合金材料強度和韌性。附圖說明圖1為本發明合金在動物體內降解顯微結構示意圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明做進一步說明。由於生物環境和功能需求的差異，不同的可降解植入器械對降解速度的要求是不一樣的。鋅的的腐蝕電位是-0.76V，鐵的腐蝕電位是-0.44V，因此鐵作為合金元素加入鋅中可同時產生兩種相反的效果，第一種效果是鐵元素固溶到基體鋅中，鋅的腐蝕電位降低、耐蝕性增強、降解速度降低；第二種效果是鐵元素與鋅元素生成顆粒狀化合物，與基體鋅形成微電池、耐蝕性下降、降解速度升高。通過調節鐵的含量，可以達到控制鋅合金的降解速度使其適於醫用植入材料的要求。實施例1本發明的一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，其元素組成及質量百分比為：Zn90%，Fe9.92%，Sr0.08%。實施例2本發明的一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，其元素組成及質量百分比為：Zn99.997%，Fe0.002%，Ca0.001%。實施例3本發明的一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，其元素組成及質量百分比為：Zn99.975%，Fe0.01%，Mg0.015%。實施例4本發明的一種人體可降解的耐蝕高強韌Zn-Fe-X系鋅合金，其元素組成及質量百分比為：Zn97.45%，Fe2%，Mg0.05%，Ce0.5%。實施例5以實施例1～4中元素組成使用本領域常規技術製得的鋅合金，進行模擬人體體液浸泡試驗，測試Zn-Fe-X系鋅合金降解速率實驗測試結果如表一：表一本實施例依據ASTM-G31-72標準測試方法對鋅基Zn-Fe-X系合金的體外降解機理與降解性能進行了研究，37攝氏度的模擬人體體液模擬人體體液環境，發現在這種環境中，Zn-Fe-X系鋅合金的降解速度緩慢且可控。實施例6以實施例1～4中元素組成使用本領域常規技術製得的鋅合金，進行拉伸強度試驗結果如表二所示。表二本實施例根據GB/T228.1-2010測試標準，對Zn-Fe-X系鋅合金實施例1～4進行拉伸力學性能測試，結果如表二所示。發現Zn-Fe-X系鋅合金屈服強度最高可達380MPa，斷裂延伸率高達24.5%，這是由於鐵與鋅生成彌散分布的細小化合物顆粒，達到細化晶粒的效果，而鎂/鈣/鍶固溶於α相鋅中，只需要加入極少量的鎂/鈣/鍶就可達到極高的強度，還可增加抗蠕變性能,加入的微量元素則進一步改善材料力學性能。實施例7以實施例1～4中元素組成使用本領域常規技術製得的鋅合金，進行體外細胞毒性測試。本實施例根據GB/T16886.5-2003對鋅合金進行了體外細胞毒性測試，將成纖維細胞L-929培養在鋅合金降解產物的提取液裡，測量24小時和72小時的細胞活性，並與培養在常規培養液的細胞活性作對比，發現培養在鋅合金降解產物提取液裡的細胞活性均高於90%，且細胞形貌非常健康，因此可以認為鋅合金降解產物對細胞活性沒有影響，細胞對鋅合金降解產物沒有毒性反應。實施例8以實施例1中元素組成使用本領域常規技術製得的鋅合金，進行體內植入測試。將實施例1製備的鋅合金製成細絲植入紐西蘭白兔腹主動脈中12個月，如圖1所示，圖中亮區為合金絲橫截面，緊貼合金絲的灰色區域即為降解產物，黑色區域為固定樣品用的樹脂材料。研究發現合金絲在降解後沒有發現任何膨脹和遷移的情況，其降解產物仍維持原來的形狀，沒有發現掉落顆粒、碎片的現象。同時對其它實施例製備的鋅合金同樣進行體內植入測試，得到的顯微圖像與以實施例1的鋅合金相似。以上內容是結合具體的實施方式對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。