发明名称：一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金及其应 用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 属于医用植入材 料技术领域。

背景技术

[0002] 锌离子是人体必需的营养元素， 参与人体很多的新陈代谢活动。 美国临床创新 机构 （ACI) 推荐人体每天必需摄入 2.5到 6.4毫克的锌， 成年人每天摄入大约 300 毫克锌才可能会有一定毒性反应。 一枚锌基可降解骨钉每天释放的锌大约为 0.2~ 0.3毫克， 即使这些锌离子全部释放到血管里， 也远远低于人体必需的摄入量。 也就是说， 锌基可降解骨科植入器械降解释放的锌离子不 会引起全身毒性。 研 究还发现， 锌离子在人体组织中的运输非常迅速， 因此锌基可降解骨科植入器 械附近不会出现锌富集、 细胞毒性或坏死。

[0003] 锌离子在人体内的功能很多， 对人体非常重要， 其中很重要的一个功能就是促 进骨组织生长。 研究人员发现由于锌离子可以激活成骨细胞中 的氨酰 tRNA合成 酶， 并可有效抑制破骨细胞的分化与生长， 因此锌离子的存在不仅促进了骨钙 盐含量的增加， 还有利于骨胶原蛋白含量的提高， 这说明锌离子有直接的促成 骨功能。 另外， 研究还发现锌离子促进软骨低聚基质蛋白与胶 原的结合， 是软 骨成长与再生的催化元素。

[0004] 传统的血管支架一般采用不可降解的金属制成 ， 其缺点是金属不可降解、 无法 取出， 滞留在血管内容易引发晚期血栓。 大量的临床病例证实病人植入这类支 架 1〜5年后血栓形成率高达 3%〜9<¾， 血栓形成后死亡率高达 30%。 骨钉和骨板 是常用的固定骨折和韧带损伤的医疗植入器械 ， 传统骨钉和骨板由不可降解的 金属无法取出， 必须进行二次手术， 对患者带来极大的创伤。 同吋， 传统金属 材料强度过高， 容易带来应力屏蔽， 导致受伤的骨组织难以再生和愈合。

[0005] 人体内可降解医用材料正在成为研究和幵发的 重点， 其中可降解高分子材料、 纯铁及铁基合金、 纯镁及镁基合金是近年研究最为深入的材料。 可降解高分子 材料强度过低， 在临床使用过程中经常会发生断裂事故， 临床适用性收到极大 限制。 纯铁及铁基合金的强度和韧性远高于高分子材 料， 但铁的降解速度太慢 ， 完全降解吋间可能长达数年。 更为严重的是， 铁降解过程中生成的铁锈状物 质体积膨胀了数倍， 并有明显的迁移趋势。 纯镁及镁基合金的降解产物无毒、 可降解， 但其耐蚀性非常差， 在人体内很快就会被降解， 无法提供足够的力学 支撑吋间。

[0006] 纯锌及其合金也是一种人体环境下可降解的材 料， 但应用在医用材料方面仍然 存在力学强度低、 降解速率不可控的缺点， 目前都是通过向其添加其它物质来 达到改善力学性能和调控降解速率， 如申请号 201310756776.1公幵的锌中添加 Ce 、 Mg、 Cu、 Ca， 但该申请制备的锌合金材料塑性较低， 而目前还未发现将价格 低廉的铁作为锌的添加材料， 作为生物医用材料来使用。

技术问题

[0007] 本发明的目的是针对现有医用植入材料存在的 不足， 提供一种添加材料成本低 ， 强度高、 塑性好， 降解速率可控， 降解产物不膨胀、 不迁移， 同吋可被人体 降解的 Zn-Fe-Li系锌合金及其应用。

问题的解决方案

技术解决方案

[0008] 本发明提供一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 所述的锌合金中 包括 Zn、 Fe和 Li元素， 其中 Zn元素的质量百分含量为： 80〜99.997<¾， Fe元素的 质量百分含量为： 0.002〜10%， Li元素的质量百分含量为： 0.001〜10%。

[0009] 基于以上合金材料的组成， 为了优化力学性能和生物腐蚀性能， 我们对合金材 料优化为： 所述锌合金中 Zn元素的质量百分含量为： 90〜99.993%， Fe元素的质 量百分含量为： 0.005〜8%， Li元素的质量百分含量为： 0.002〜2%。

[0010] 更优选地， 所述的锌合金中还包括微量元素， 所述微量元素为 Mg、 Ca、 Sr、 Si 、 Mn和稀土元素中至少一种， 所述微量元素与 Zn元素的质量比为 0〜0.0625 _: 1

[0011] 基于以上合金材料的组成， 为了优化力学性能和生物腐蚀性能， 我们对合金材 料进一步优化为， 所述锌合金中， 微量元素与 Zn的质量比为 0〜0.025： 1。

[0012] 上述发明所制备的人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 使用本领域常 规的方法制备成可降解医疗植入体。

[0013] 因此， 本发明还提供一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金在制备可 降解医疗器械材料中的应用。

[0014] 所述可降解医疗器械为植入支架、 骨科植入器械、 齿科植入器械、 手术缝合线 或吻合器。 其中植入支架包括血管支架、 气管支架、 尿道支架、 食道支架、 肠 道支架或胆道支架； 骨科植入器械包括固定螺丝、 固定铆钉、 骨板、 骨套、 髓 内针或骨组织修复支架； 吻合器包括肠道吻合器、 血管吻合器或神经吻合器。 发明的有益效果

有益效果

[0015] 1、 添加材料成本低廉， 制备的合金材料各成分降解产物可被人体代谢 降解；

[0016] 2、 耐蚀性远高于镁合金， 降解速率可控， 降解产物不膨胀、 不迁移；

[0017] 3、 合金材料强度和韧性好。 铁在室温和高温下具有固溶强化和沉淀强化的 双 重作用， 能与 Zn形成多种稳定的金属间化合物、 起到强化作用， 并有细化晶粒

、 提高塑性的效果， 提高了合金材料强度和韧性。

对附图的简要说明

附图说明

[0018] 图 1为本发明合金在动物体内降解显微结构示意� �。

本发明的实施方式

[0019] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

[0020] 由于生物环境和功能需求的差异， 不同的可降解植入器械对降解速度的要求是 不一样的。 锌的的腐蚀电位是 -0.76V, 铁的腐蚀电位是 -0.44V, 因此铁作为合金 元素加入锌中可同吋产生两种相反的效果， 第一种效果是铁元素固溶到基体锌 中， 锌的腐蚀电位降低、 耐蚀性增强、 降解速度降低； 第二种效果是铁元素与 锌元素生成颗粒状化合物， 与基体锌形成微电池、 耐蚀性下降、 降解速度升高 。 通过调节铁的含量， 可以达到控制锌合金的降解速度使其适于医用 植入材料 的要求。

[0021] 实施例 1

[0022] 本发明的一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 其元素组成及质量 百分比为： Zn 80<¾， Fe 10% , Li 10<¾。

[0023] 实施例 2

[0024] 本发明的一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 其元素组成及质量 百分比为： Zn 99.997%， Fe 0.002% , Li 0.001%。

[0025] 实施例 3

[0026] 本发明的一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 其元素组成及质量 百分比为： Zn 99.975% , Fe O.01% , Li 0.015%。

[0027] 实施例 4

[0028] 本发明的一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 其元素组成及质量 百分比为： Zn 97% , Fe 1% , Li 1%, Mg 1<¾。

[0029] 实施例 5

[0030] 本发明的一种人体可降解的耐蚀高强韧 Zn-Fe-Li系锌合金， 其元素组成及质量 百分比为： Zn 95.5<¾， Fe 2% , Li 2% , Ce 0.5<¾。

[0031] 实施例 6

[0032] 以实施例 1〜5中元素组成使用本领域常规技术制得的锌� ��金， 进行模拟人体体 液浸泡试验， 测试 Zn-Fe-Li系锌合金降解速率实验测试结果如表一� ��

[0033] 表一

[]

序号 m 隨速率 (：魏 /年）

1 实施例 1 1.94 实施例 2 0.09

3 实施例 3 0. 15

4 实施例 4 0.26

5 实施例 5 :0.41 纯镁 3.53

WE 3镁合金 3.89

[0034] 本实施例依据 ASTM-G31-72标准测试方法对锌基 Zn-Fe-Li系合金的体外降解机 理与降解性能进行了研究， 37摄氏度的模拟人体体液模拟人体体液环境， 发现 在这种环境中， Zn-Fe-Li系锌合金的降解速度缓慢且可控。 Li是一种非常活泼的 金属元素， 极易发生氧化和腐蚀反应， 可用于调节加速 Zn和 Fe的降解过程。

[0035] 实施例 7

[0036] 以实施例 1〜5中元素组成使用本领域常规技术制得的锌� ��金， 进行拉伸强度试 验结果如表二所示。

[0037] 表二

[0038] 本实施例根据 GB/T228.1-2010测试标准， 对 Zn-Fe-Li系锌合金实施例 1〜5进行 拉伸力学性能测试， 结果如表二所示。 发现 Zn-Fe-Li系锌合金屈服强度最高可达 290MPa, 断裂延伸率高达 36%， 这是由于铁与锌生成弥散分布的细小化合物颗 粒， 达到细化晶粒的效果， 可提高锌合金的热稳定性和蠕变抗力， 加入的微量 元素则进一步改善材料力学性能。

[0039] 实施例 8

[0040] 以实施例 1〜5中元素组成使用本领域常规技术制得的锌� ��金， 进行体外细胞毒 性测试。

[0041] 本实施例根据 GB/T 16886.5-2003对锌合金进行了体外细胞毒性测试， 将成纤维 细胞 L-929培养在锌合金降解产物的提取液里， 测量 24小吋和 72小吋的细胞活性 ， 并与培养在常规培养液的细胞活性作对比， 发现培养在锌合金降解产物提取 液里的细胞活性均高于 90%， 且细胞形貌非常健康， 因此可以认为锌合金降解产 物对细胞活性没有影响， 细胞对锌合金降解产物没有毒性反应。

[0042] 实施例 9

[0043] 以实施例 1中元素组成使用本领域常规技术制得的锌合� �， 进行体内植入测试 。 将实施例 1制备的锌合金制成细丝植入新西兰白兔腹主� �脉中 12个月， 如图 1 所示， 图中亮区为合金丝横截面， 紧贴合金丝的灰色区域即为降解产物， 黑色 区域为固定样品用的树脂材料。 研究发现合金丝在降解后没有发现任何膨胀和 迁移的情况， 其降解产物仍维持原来的形状， 没有发现掉落颗粒、 碎片的现象 。 同吋对其它实施例制备的合金材料同样进行体 内植入测试， 得到的显微图像 与以实施例 1的锌合金相似。

[0044] 以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做 的进一步详细说明， 不能认定本 发明的具体实施只局限于这些说明。 对于本发明所属技术领域的普通技术人员 来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干简单推演或替换， 都应 当视为属于本发明的保护范围。