一种可降解锌铜泡沫生物材料制造技术

本发明专利技术属于生物医用金属领域，具体涉及一种可降解锌铜泡沫生物材料，其通过以下过程制备得到：（1）采用泡沫金属材料Cu作为模板，进行脱脂处理；（2）将脱脂后的泡沫金属材料Cu进行刻蚀处理；（3）在刻蚀后的泡沫金属材料Cu上通过电镀处理制备锌镀层，得到Zn‑Cu泡沫金属；（4）将Zn‑Cu泡沫金属真空密封在石英管中；（5）升温至250~350℃，并在这个温度下保温1~3小时；（6）升温至450~550℃，并在这个温度下保温0.5~2小时；（7）升温至650~750℃下保温0.5~1h，然后在炉中冷却至室温后取出试样，得到可降解锌铜泡沫生物材料。本发明专利技术具有较好的力学性能、细胞相容性、抗菌性能和适宜的生物降解性能，可用于新型可降解多孔生物医用植入体的制备。

A biodegradable zinc copper foam biomaterial

【技术实现步骤摘要】
一种可降解锌铜泡沫生物材料
本专利技术属于生物医用金属领域，具体涉及一种可降解锌铜泡沫生物材料。
技术介绍
在医疗器械领域，泡沫金属材料被广泛用于制造人造骨头、关节、义齿等植入物。多孔钛及其合金作为一类广泛研究的生物材料，具有足够的强度和优异的生物性能，且可通过基体材料、孔隙率、孔径、结构类型等参数来调整植入件的机械性能，使之与人体病患部位的骨骼达到匹配。这将大大避免由于植入物和骨组织之间弹性模量不匹配而引起的“应力屏蔽”现象，从而降低因“应力屏蔽”而导致的植入界面松动和骨退化的风险。同时，多孔植入物内部存在相互贯通的孔隙结构，还有利于骨组织的附着和生长，从而获得长期稳定的结合并缩短愈合周期。此外，多孔植入物还可作为药物载体，用于疾病的治疗。然而，相对于钛合金、不锈钢等永久性多孔植入材料，可降解多孔金属材料能够在服役期间不断发生分解，降解产物能被生物体吸收或者排出体外，同时新生组织得到同步替换，最后达到永久性治疗的目的。可降解材料的应用将会极大避免二次手术带来的风险和痛苦。由于锌的标准电极电位(-0.762V)介于Fe(-0.447V)和Mg(-2.372V)之间，具有更适宜的腐蚀速率。且Zn作为一种人体必需的微量元素，在人体生理活动中扮演重要的角色，如参与核酸代谢、信号传递以及许多有机配体的反应等。同时，锌还具有较好的生物相容性和骨愈合能力。此外，锌展现出较好的抗动脉粥样硬化的特性，作为可降解血管支架材料具有明显的优势，因此锌及其合金作为潜在的可降解生物材料在近几年得到广泛的研究。然而纯锌力学性能差，铸态纯锌的抗拉强度小于20MPa，延伸率小于1%，硬度低于30HV，难以满足植入件的力学性能要求，需要通过合金化来提高纯Zn的力学性能。目前通过添加Mg，Sr,Ca，Mn，Li，Cu等元素进行合金化处理，可以使纯锌的力学性能得到明显提升，基本能满足生物降解材料的性能要求。另一方面，对于植入材料而言，术后感染将会造成伤口难以愈合，增加患者治疗费用和痛苦，严重的甚至会造成肢体畸形、功能障碍等后遗症。同时，多孔材料的孔隙结构也同样利于细菌的粘附、生长和繁殖。生物材料相关的感染一直是植入材料失效的主要原因。因此，预防內植物术后感染是多孔骨植入材料必须要考虑和临床急需解决的问题。在锌合金合金化元素中，Cu元素作为人体中居第二的必需微量元素，参与人体一些信号机制的调节。在纯锌中添加Cu后不仅可以获得优良的力学性能和生物相容性，同时还由于Cu元素的优良抗菌性能而使Zn-Cu合金也具备抗菌效果，能够极大降低因术后感染而引起的植入失效的风险。电沉积法相对于其他多孔材料的制备方法，所制备的泡沫金属孔隙率高（大于90%）、孔隙率和孔径可调整、孔结构可设计且分布均匀，孔隙相互连通、生产工艺简单等特点，越来越受到关注。目前国内外普遍采用电沉积法进行大规模高孔率多孔金属材料的生产。然而，通过电沉积法制备的泡沫金属和其它工艺生产的泡沫金属相比，表现出力学性能差（特别是韧性不够）的缺点，需要进行后续热处理来提高泡沫材料的物理性能和机械性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种可降解锌铜泡沫生物材料。本专利技术所采取的技术方案如下：一种可降解锌铜泡沫生物材料，其通过以下过程制备得到：（1）采用泡沫金属材料Cu作为模板，进行脱脂处理；（2）将脱脂后的泡沫金属材料Cu进行刻蚀处理；（3）在刻蚀后的泡沫金属材料Cu上通过电镀处理制备锌镀层，得到Zn-Cu泡沫金属；（4）将步骤（3）得到的Zn-Cu泡沫金属真空密封在石英管中；（5）将步骤（4）得到的石英管升温至250~350℃，并在这个温度下保温1~3小时；（6）接着升温至450~550℃，并在这个温度下保温0.5~2小时；（7）最后升温至650~750℃下保温0.5~1h，然后在炉中冷却至室温后取出试样，得到可降解锌铜泡沫生物材料。步骤（1）中，通过丙酮溶液进行脱脂。步骤（2）中，用4~8mol/L的盐酸刻蚀2~10分钟，然后用去离子水冲洗。锌镀层的厚度为50μm~500μm。步骤（3）中，电镀处理过程如下：使用直流电源并采用阴极电流密度为1.0~5.0Acm-2在电镀槽中电沉积0.5~3小时，电镀溶液含有50~300g/L硫酸锌七水合物，用HCl溶液将镀液初始pH调节为2.0~6.0，泡沫金属材料Cu作为阴极，两个纯锌板作为双阳极置于泡沫金属两侧，泡沫金属材料Cu与锌板间距为2~8mm。步骤（5）-（7）中，升温速率为10℃/min。本专利技术的有益效果如下：本专利技术在泡沫金属Cu模板上电沉积一层厚度50μm~500μm的镀锌层，并基于Zn在金属中的扩散机理，设计的三段式热处理工艺可成功制备了Zn-Cu泡沫金属，具有较好的力学性能、细胞相容性、抗菌性能和适宜的生物降解性能，可用于新型可降解多孔生物医用植入体的制备。同时降低了弹性模量，减轻了因与骨组织之间弹性模量不匹配而引起的骨组织松动和骨退化危害，有益于促进骨组织的生长以及营养的运输。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。图1为纯铜泡沫金属、热处理前的泡沫Zn-Cu合金、热处理后的泡沫Zn-Cu合金的SEM图；图2为热处理后泡沫Zn-Cu合金的显微XRD图；图3（a）为未热处理泡沫Zn-Cu合金SEM图；图3（b）为Cu和Zn层之间界面结合处进行线扫描的结果；图3（c）为热处理后的泡沫Zn-Cu合金的显微组织SEM图；图3（d）为Zn元素的EDS能谱图；图3（e）为Cu元素的EDS能谱图；图3（f）为O元素的EDS能谱图；图4（a）为热处理前后泡沫Zn-Cu合金的压缩变形曲线；图4（b）为对应的压缩性能数据以及硬度值；图5为热处理前后泡沫Zn-Cu合金在Hank’s溶液中的动电位极化曲线图；图6为热处理前后Zn-Cu泡沫金属浸提液的溶血率；图7为MC3T3-E1细胞在不同浓度的金属浸提液中培养24,72,120h后的细胞相对活性，（a）为热处理前，（b）为热处理后；图8为热处理前后泡沫Zn-Cu合金的抑菌效果，（a）为热处理前后Zn-Cu泡沫金属与金黄色葡萄球菌共同培养24h的细菌分布图，（b）为热处理前后泡沫Zn-Cu合金抑菌圈直径大小对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。实施例1：采用铜泡沫金属作为模板，在丙酮溶液中有序脱脂后，用6mol/L的盐酸刻蚀5分钟，然后用去离子水冲洗。在25℃的温度下使用直流电源在电镀槽中进行电镀处理来制备锌镀层。采用阴极电流密度为3.0Acm-2电沉积1小时。电镀溶液含有200g/L七水合硫酸锌，用HCl溶液将镀液初始pH调节为3.0。Cu泡沫金属作为阴极，两个纯锌板作为双阳极置于泡沫铜两侧，异极距离为5mm，最终得到Zn-Cu泡沫金属。使用真空封管系统将制备的Zn-Cu泡沫金属真空密封在石英管中。分步热处理过程分为以下步骤：将石英管在马弗炉中以10℃/min的加热速率升本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可降解锌铜泡沫生物材料，其特征在于，其通过以下过程制备得到：（1）采用泡沫金属材料Cu作为模板，进行脱脂处理；（2）将脱脂后的泡沫金属材料Cu进行刻蚀处理；（3）在刻蚀后的泡沫金属材料Cu上通过电镀处理制备锌镀层，得到Zn‑Cu泡沫金属；（4）将步骤（3）得到的Zn‑Cu泡沫金属真空密封在石英管中；（5）将步骤（4）得到的石英管升温至250~350℃，并在这个温度下保温1~3小时；（6）接着升温至450~550℃，并在这个温度下保温0.5~2小时；（7）最后升温至650~750℃下保温0.5~1h，然后在炉中冷却至室温后取出试样，得到可降解锌铜泡沫生物材料。

【技术特征摘要】
1.一种可降解锌铜泡沫生物材料，其特征在于，其通过以下过程制备得到：（1）采用泡沫金属材料Cu作为模板，进行脱脂处理；（2）将脱脂后的泡沫金属材料Cu进行刻蚀处理；（3）在刻蚀后的泡沫金属材料Cu上通过电镀处理制备锌镀层，得到Zn-Cu泡沫金属；（4）将步骤（3）得到的Zn-Cu泡沫金属真空密封在石英管中；（5）将步骤（4）得到的石英管升温至250~350℃，并在这个温度下保温1~3小时；（6）接着升温至450~550℃，并在这个温度下保温0.5~2小时；（7）最后升温至650~750℃下保温0.5~1h，然后在炉中冷却至室温后取出试样，得到可降解锌铜泡沫生物材料。2.根据权利要求1所述的可降解锌铜泡沫生物材料，其特征在于：步骤（1）中，通过丙酮溶液进行脱脂。3.根据权利要求1所述的可降...

【专利技术属性】
技术研发人员：史子木，童先，徐临超，林继兴，王坤，关雷，
申请(专利权)人：浙江工贸职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33