本發(fā)明屬于復(fù)合材料，具體涉及一種mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、隨著醫(yī)療骨植入物的不斷發(fā)展，生物材料的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向改善組織力學(xué)性能、降解梯度及組織相容性。單一材料通常難以同時(shí)滿足力學(xué)降解性能與生物相容性的多重要求，而復(fù)合材料則能突破這些限制。生物復(fù)合材料可根據(jù)基體材料分為三類，包括金屬基復(fù)合材料（mmc）、聚合物基復(fù)合材料（pmc）和陶瓷基復(fù)合材料（cmc）。與pmc和cmc相比，mmcs具有更優(yōu)的承載能力和抗疲勞性能，尤其適用于長(zhǎng)期承受動(dòng)態(tài)載荷的骨科植入物，同時(shí)相較于脆性的cmc，mmcs具有更大的柔韌性，從而降低植入物斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。此外，mmcs可以通過采用不同類型的增強(qiáng)材料（顆粒、纖維和片材增強(qiáng)）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而提升醫(yī)療設(shè)備在長(zhǎng)期使用中的蠕變抗力和可靠性。
2、在生物復(fù)合材料中，鎂（mg）和鋅（zn）是人體必需的微量元素，可作為生物活性基質(zhì)。鎂是人體內(nèi)含量最豐富的金屬元素，且無毒性。其具有加工硬化行為和較低的彈性模量，因此適用于骨科領(lǐng)域的臨時(shí)承重應(yīng)用。盡管鎂可在體內(nèi)降解，但其降解速率過快，導(dǎo)致植入物在愈合期間無法提供有效支撐。鋅參與超過200種酶促反應(yīng)，對(duì)傷口愈合和組織再生具有重要作用。鋅的降解速率為0.02-0.05?mm/y，且降解產(chǎn)物對(duì)人體安全。zn2+可進(jìn)一步促進(jìn)成骨和血管生成。然而，zn在變形過程中表現(xiàn)出加工軟化行為，限制了其在受力條件下的機(jī)械性能。因此，近期研究聚焦于通過合金化和復(fù)合材料策略提升zn的機(jī)械性能，以應(yīng)用于可降解植入物。
3、在鋅基復(fù)合材料體系中，鋅和鎂均無毒且具有密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)。兩者之間的固溶度和結(jié)構(gòu)相容性有利于形成強(qiáng)烈的界面結(jié)合，從而提升復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。由于鋅的模量較高且與人體骨骼不匹配，因此通常與鎂復(fù)合以降低模量。因此，已有大量關(guān)于mg/zn生物復(fù)合材料的論文發(fā)表。根據(jù)孫等的報(bào)告，通過累積軋制工藝制備的mg/zn多層復(fù)合材料展現(xiàn)出最高的抗拉強(qiáng)度（uts）為501±3mpa，低降解速率（6±1μm/y）以及超過100%的細(xì)胞存活率。楊等將鎂引入鋅作為陽極，以加速降解，克服鋅降解速率慢的缺點(diǎn)，并通過協(xié)同生物效應(yīng)（同時(shí)釋放zn2+和mg2+離子）改善骨間蛋白質(zhì)。此外，粉末冶金合成zn-5mg復(fù)合材料可顯著提升力學(xué)性能（uts為183mpa，延伸率為16%）。然而，mg/zn生物復(fù)合材料的加工硬化問題尚未得到解決。季等綜述了通過不同加工方法制備的zn-xmg復(fù)合材料的力學(xué)性能，包括靜壓擠壓、等通道角壓、激光粉末床熔融等。盡管強(qiáng)度提升程度不同，鋅合金仍表現(xiàn)出加工軟化變形模式。
4、這是因?yàn)殇\可以在室溫下再結(jié)晶，導(dǎo)致在變形過程中發(fā)生軟化。尤其在骨科植入材料中，加工軟化會(huì)損害植入物的力學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)完整性，對(duì)后續(xù)骨組織修復(fù)構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。骨科植入物需與骨組織模量相匹配，而降解過程會(huì)加速模量變化，加劇加工軟化過程，導(dǎo)致骨科植入物斷裂。同時(shí)，加工軟化材料在動(dòng)態(tài)載荷下易發(fā)生疲勞失效。這使得材料無法提供足夠支撐，增加植入物松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。倘若可轉(zhuǎn)變zn的變形模式并提升其強(qiáng)度，醫(yī)用器件的應(yīng)用場(chǎng)景就會(huì)更多變。而且引入mg后可提升zn過慢的降解速率，使得其與組織愈合周期相匹配。
5、因此，如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在zn基體中引入增強(qiáng)體mg，在提升強(qiáng)度的同時(shí)轉(zhuǎn)變其變形模式是目前亟待解決的技術(shù)難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度，以及能夠很好的平衡了降解速率和恢復(fù)周期的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材及其制備方法。
2、本發(fā)明孩的另一個(gè)目的是提供了所述mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材在醫(yī)用骨植生物材料中的應(yīng)用。
3、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
4、一種mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，包括如下步驟：
5、1）按照?qǐng)D紙加工并獲得橫截面上帶多個(gè)通孔的zn鑄錠和mg圓柱錠；
6、2）將步驟1）得到的mg圓柱錠填入到zn鑄錠的圓孔中進(jìn)行嚙合，得到mg/zn復(fù)合鑄錠；
7、3）將步驟2）得到的mg/zn復(fù)合鑄錠進(jìn)行熱擠壓，冷卻，得到mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材。
8、在某些具體實(shí)施方式中，所述zn鑄錠的直徑為30-100mm，高為30-60mm；所述圓孔的直徑為3-8?mm，且彼此相鄰兩圓孔圓心之間的距離為4-15mm。
9、在某些具體實(shí)施方式中，所述mg圓柱錠的直徑為3-8mm，高為30-60mm。
10、在某些具體實(shí)施方式中，所述mg/zn復(fù)合鑄錠中，mg和zn的不可避免的雜質(zhì)含量≤0.01%。
11、在某些具體實(shí)施方式中，步驟3）中所述熱擠壓的擠壓溫度為250-300℃。
12、在某些具體實(shí)施方式中，步驟3）中所述熱擠壓的擠壓速度為0.5-1.5mm/s。
13、作為同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了一種mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材。
14、作為同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供了所述mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材在醫(yī)用骨植生物材料中的應(yīng)用。
15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點(diǎn)：
16、1）本發(fā)明的制備方法，通過采用純鎂和純鋅作為原料，對(duì)原始鑄錠進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過采用低溫共擠壓技術(shù)，使純鎂與純鋅良好復(fù)合形成均勻致密的金屬擴(kuò)散層，這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)能有效提升基體的強(qiáng)度并能使鋅基材料具備加工硬化特性。
17、2）本發(fā)明制備所得mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的腐蝕速率能匹配組織愈合，純zn降解速率過慢、純鎂過快，而mg/zn復(fù)合材料的腐蝕速率介于mg和zn之間很好的平衡了降解速率與恢復(fù)周期不對(duì)等的情況。
18、3）本發(fā)明所述制備方法的工藝流程簡(jiǎn)單，無需進(jìn)行復(fù)雜的操作，對(duì)設(shè)備要求較低，能夠應(yīng)用于大尺寸、大批量的mg/zn復(fù)合棒材的生產(chǎn)，具有很好的醫(yī)療應(yīng)用前景。
1.一種mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于，所述zn鑄錠的直徑為30-100mm，高為30-60mm；所述圓孔的直徑為3-8?mm，且彼此相鄰兩圓孔圓心之間的距離為4-15mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于，所述mg圓柱錠的直徑為3-8mm，高為30-60mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于：所述mg/zn復(fù)合鑄錠中，mg和zn的不可避免的雜質(zhì)含量≤0.01%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于，步驟3）中所述熱擠壓的擠壓溫度為250-300℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材的制備方法，其特征在于，步驟3）中所述熱擠壓的擠壓速度為0.5-1.5mm/s。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述mg纖維增強(qiáng)的zn基復(fù)合棒材在醫(yī)用骨植生物材料中的應(yīng)用。