一种高性能生物可降解Zn-Cu-Ti-xFe合金及应用制造技术

本发明专利技术属于生物可降解医用材料领域，一种高性能生物可降解Zn

【技术实现步骤摘要】
一种高性能生物可降解Zn
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Cu
‑
Ti
‑
xFe合金及应用


[0001]本专利技术涉及生物可降解医用材料的设计与制备方法，具体为一种高性能生物可降解Zn
‑
Cu
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Ti
‑
xFe合金的成分设计、热处理和塑性变形方法。

技术介绍

[0002]根据世界卫生组织最新的报告中显示：心血管疾病依旧是全球最主要的健康问题。在我国，心血管疾病的死亡率占居民死亡的40%，不仅数量逐年上升并且不断年轻化。其中，心血管狭窄是导致心血管疾病的主要直接病因。近几年，社会大众对血管支架和骨修复材料的需求逐年增加。但由于目前临床应用的316L不锈钢、纯钛、Ti6Al4V等材料植入后需二次取出，极大的增加了病患生理和经济负担。因此，针对该问题，Fe基材料、Mg基材料、Zn基材料以及高分子材料等可降解材料成为新的研究热点。
[0003]Mg元素也是人体必需微量金属元素，成年人体每天可吸收Mg
2+
离子400mg，故Mg元素具有良好的生物相容性。虽然通过合金化和塑性加工可显著提高Mg基材料力学性能，但Mg基材料在体内外实验中表现出极高的腐蚀速率，使其在人体组织重建过程中无法提供足够的力学支撑，同时在降解过程中释放的氢气导致周围组织产生炎症，不利于受伤组织恢复。与Mg类似, Fe是人体必须金属元素，人体血液中铁元素含量最高可达400~500mg/L。目前研究证明Fe基材料的力学强度和塑性较高，但Fe基材料在体液环境中降解缓慢，这表明血管生理功能的重建完成后Fe基合金支架也无法降解。此外，铁基材料在腐蚀过程中产生大量铁的氧化物，会排斥周围细胞和组织，不利于组织重建与恢复。而生物医用锌合金是本世纪发展起来的，锌是人体最重要的必需微量元素之一。成年人体内约含2
–
3 g锌，锌具有多种生物学功能，从酶催化到在细胞神经元系统中起关键作用。锌离子在调节动脉血压中起重要作用。因此，它们被认为是极有前途的可生物降解金属。锌基可生物降解金属的优点是其降解模式接近理想模式，生物相容性好。然而，尽管锌合金支架具有这些优点和潜力，但其力学性能在储存过程中的变化以及耐久性方面（强度与塑性的完美结合）仍存在许多不确定性。研究者迫切需要对这些问题进行更深入的研究。
[0004]先前的研究表明，Cu的加入可以有效地使铸态Zn
‑
Cu合金的柱状组织转变为等轴晶，并显著细化晶粒尺寸。此外，钛及其合金因其良好的力学性能和良好的生物相容性而成为生物材料。向ZnCu合金中加入低浓度的Ti，可以提高合金的强度和硬度等。但是该类合金整体的细胞相容性和其可控的降解性需要进一步研究。铁 (Fe) 是人体必需的元素，是酶和氧气运输功能所必需的。重要的是，由于形成的第二相和Zn基体之间的电偶腐蚀，可显著改善Zn
‑
Cu合金的体外生物相容性和抗菌性能，且不影响血液相容性。由于锌合金体系大多表现出强度
‑
延展性均衡的特点，很少有锌合金体系同时具有较好的力学性能和生物相容性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的第一个目的在于提供一种在铁含量较低的情况
下，力学性能优异、耐磨、良好生物相容性的Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金材料。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种低成本的Zn
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Cu
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Ti
‑
xFe合金制备方法。
[0007]本专利技术的第三个目的在于提供所述Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金材料的应用。
[0008]本专利技术一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；所述Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金中的合金化元素质量百分含量小于等于3%，且合金的极限抗拉强度大于等于200MPa、延伸率大于等于35%；所述合金在PBS溶液中（50% CO2, 温度37℃）的条件下，体外的降解率小于等于300μm/y。
[0009]本专利技术一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；所述合金中存在FeZn
13
相。作为优选，FeZn
13
相以板状的形式存在，且FeZn
13
相的尺寸均值为10
‑
20微米的等轴晶粒。FeZn
13
相的存在降低了Zn
‑
Cu
‑
Ti合金的力学性能，但是随着该相的增加，Zn
‑
Cu
‑
Ti合金的拉伸性能呈现增长的趋势。延展性保持在40%左右。
[0010]在人体模拟体液的降解过程中，FeZn
13
相延缓了纯锌的过快腐蚀，将材料整体的力学性能服役时间延长了。在人体模拟体液的降解过程中，FeZn
13
相延缓了纯锌的降解，其中纯锌的降解速率为270
±
8μm/y，Zn
‑
Cu
‑
Ti合金的降解速率为183
±
40μm/y，Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
0.1Fe、Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
0.3Fe和Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
0.5Fe合金的降解速率分别为112
±
7μm/y,80
±
10μm/y,72
±
3μm/y。
[0011]本专利技术一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；所述合金通过真空封管熔炼；然后通过热轧得到产品；所述真空封管熔炼为：按设计组分配取铁源、钛源、铜源、锌源，将所配取的原料装入到充入惰性气体的容器中；利用旋转熔炼设备，采用三步保温旋转加热法制备产品；所述三步保温旋转加热法为：以5
‑
10℃/min的升温速率升温至500
‑
700℃，然后分别保温185
±
20min、245
±
30min和365
±
40min；且在以上三个保温时间内分别进行自旋转；具体旋转方式为：在0
‑
125min的加热过程中，沿顺时针方向旋转，然后在125
‑
185min，185
‑
245min和245
‑
365分钟时，按照交叉旋转方式，即10min顺时针旋转，10min逆时针旋转，依次交叉进行；旋转速度均为5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；其特征在于：所述Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金中的合金化元素质量百分含量小于等于3%，且合金的极限抗拉强度大于等于200MPa、延伸率大于等于35%；所述合金在PBS溶液中的条件下，体外的降解率小于等于300μm/y；所述合金中存在FeZn
13
相。2.根据权利要求1所述的一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；其特征在于：FeZn
13
相以板状的形式存在，且FeZn
13
相的尺寸均值为10
‑
20微米的等轴晶粒；FeZn
13
相的存在降低了Zn
‑
Cu
‑
Ti合金的力学性能，但是随着该FeZn
13
相的增加，Zn
‑
Cu
‑
Ti合金的拉伸性能呈现增长的趋势。3.根据权利要求1所述的一种可降解生物医用Zn
‑
Cu
‑
Ti
‑
xFe合金；其特征在于：所述合金通过真空封管熔炼；然后通过热轧得到产品；所述真空封管熔炼为：按设计组分配取铁源、钛源、铜源、锌源，将所配取的原料装入到充入惰性气体的容器中；利用自制旋转熔炼设备，采用三步保温旋转加热法制备产品；所述三步保温旋转加热法为：以5
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10℃/min的升温速率升温至500
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700℃，然后分别保温185
±
20min、245
±
30min和365
±
40min；且在以上三个保温时间内分别进行自旋转；具体旋转方式为：在0
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125min的加热过程中，沿顺时针方向旋转，然后在125
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185min，185
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245min和245
‑
365分钟时，按照交叉旋转方式，即10min顺时针旋转，10min逆时针旋转，依次交叉进行；旋转速度均为5
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10r/min。4.根据权利要求3所述的一种可降解生物医用Zn
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Cu
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Ti
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xFe合金；其特征在于：熔炼容器为圆柱形，且装入原料后，原料占熔炼容器体积的80
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98%。5.根据权利要求3所述的一种可降解生物医用Zn
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Cu
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴宏，刘景博，刘波，肖坚，李宁，梁陆新，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：