CN101264339A - 镁合金骨外科内固定及植入材料 - Google Patents

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崔菡
焦延鹏
张余
尹庆水
王本学
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Abstract

本发明涉及“镁合金骨外科内固定及植入材料”，以纯镁为基材，添加有钙元素，锌元素，所述锌含量为2－5％，钙含量为1－3％。本发明镁合金骨外科内固定及植入材料具有良好的生物相容性、优良的力学性能和可控的降解速率，能够满足骨外科内固定及植入材料的需要，特别适用于钉板系统和髓内钉系统。

Description

镁合金骨外科内固定及植入材料
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体的说涉及可降解的镁合金材料作为骨外科内固定及植入材料在骨创伤外科和整形重建外科中的应用，特别是涉及使用于钉板系统、髓内钉系统等的镁合金内固定及植入材料。
背景技术
目前，临床上用的骨外科内固定及植入材料主要是由不锈钢和钛合金材料制成，这些材料在体内不能被吸收、降解，若内固定材料长期存在体内，发生电解、电离反应，影响机体功能或骨的愈合。因此，当骨愈合后，大多数内固定或内植入材料需要二次手术取出，这不但增加了病人经济上的负担，同时增加了身体上的痛苦。同时，由于所采用合金的力学强度、密度远远高于天然骨，在骨愈合过程中，这些金属材料会发生应力遮挡效应，即将金属材料植入人体后，因其与人骨材料的弹性模量不匹配而产生的骨受力被遮挡的效应，会使骨骼强度降低、愈合迟缓，易产生骨质疏松或在内固定或植入材料取出后，发生再骨折。而临床少量应用的可降解的高分子材料(如聚乳酸类)的螺丝钉或接骨板，由于其力学性能差，很难承受较大的负重；降解产物引起炎症反应，仅能少量应用肌肉丰富的部位；同时，其降解速率与其力学性能的衰减不匹配，这些因素限制了其在临床上的应用。
理想的骨外科内固定及植入材料应该具有如下特点：1)具有良好的力学性能，在骨折完全愈合之前能够提供稳定的力学支持；2)具有良好的组织相容性，放置后不引起免疫排斥反应和炎症反应；3)在完成其作用后能够逐渐降解，排出体外；4)X射线下具有良好的可视性或MRI相容性，便于术后的跟踪观察。
镁合金是一种生物可降解的金属材料，最早在上世纪30年代就开始用于骨组织修复和整形外科，但是由于纯镁的降解速率太快，并产生大量的氢气，从而限制了其应用。但是随着合金技术的发展，更多的合金元素被发现和应用，从而使可降解的镁合金又被人们所重新认识。镁合金的降解机理如下：
Mg(s)+2H2O→Mg(OH)2(s)+H2(g)，
Mg(s)+2Cl-(aq)→MgCl2，
Mg(OH)2(s)+2Cl-→MgCl2.
研究表明，镁合金具有良好的生物相容性和优良的机械性能，一些其它的合金元素尤其是稀土元素的加入，使得其物理化学性能和生物性能得到改善和提高，尤其是解决了镁合金在体内降解过快的缺点。研究表明，镁合金的降解速率主要与其合金成分以及所处的生理环境有关。已经有报道，以镁合金为基础的合金支架用于猪的动物实验，实验结果发现镁合金的生物相容性非常好，具有极大的应用潜力。同时各种不同的镁合金用于骨，软骨以及其它的整型材料，都显示了良好的生物相容性。
研究表明，镁合金有可能成为新的骨外科内固定及植入材料，因为镁合金有高的比强度和比刚度，纯镁的比强度为133GPa/(g/cm3)，而超高强度镁合金的比强度已达到480GPa/(g/cm3)，比Ti6Al4V的比强度(260GPa/(g/cm3))高出近1倍。镁合金的杨氏模量约为45Gpa，更接近人骨的弹性模量(20GPa)，能有效降低应力遮挡效应。镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度(1.75g/cm3)接近，远低于Ti6Al4V的密度(4.47g/cm3)，符合理想骨外科内固定及植入材料的要求。因此镁合金作为骨固定及融合材料，能够在骨愈合的初期提供稳定的力学环境，逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激，从而加速愈合，防止局部骨质疏松和再骨折。因此，镁合金作为骨外科内固定及植入材料，具有很多优于其他金属生物医用材料的性能。
作为应用于钉板系统、髓内钉系统的骨外科内固定及植入材料，其性能必须满足以下几点：1).具有理想的生物相容性，和周围的骨组织具有较高的结合性能；2).合适的力学强度，在骨愈合的初期提供稳定的力学环境，同时尽可能降低应力遮挡作用；3).合适降解速率，与骨愈合的速率相匹配，既能满足不同愈合阶段的力学要求，又可以逐渐增加骨折部位的应力刺激。镁合金的综合性能非常适合上述植入材料，但是市场上生产的镁合金材料作为医用内固定及植入材料其性能还不是很令人满意，而适合用于钉板系统、髓内钉系统等的镁合金几乎没有。
发明内容
本发明的目的就是针对目前镁合金材料的缺点，提供了一种可降解的镁合金骨外科内固定及植入材料，这种材料既保持了金属材料良好的力学性能，同时又在体内具有生物可降解性，非常适合用于钉板系统、髓内钉系统等，避免了二次手术取出。
镁合金骨外科内固定及植入材料，以纯镁为基材，添加有钙元素，锌元素，所述锌含量为2-5％，钙含量为1-3％。
所述镁合金中还含有铝元素，所述铝元素含量为3-8％。
所述镁合金中还含有稀土元素锆、钕或/和铌元素，所述锆含量≤3％，钕含量≤3％，铌含量≤3％。
所述镁合金表面还经过表面改性，所述表面改性方法包括：表面钝化处理，离子注入，表面合金化，阳极氧化，化学转化膜，等离子体处理和表面涂覆。
上述镁合金骨外科内固定及植入材料在钉板系统、髓内钉系统中的应用。
所用的镁合金以纯镁为基体材料，通过添加锌、钙、铝、锆、钕、铌和稀土元素组成的三元和多元的镁合金体系。这种镁合金元素的重量百分比组成为：锌的含量2-5％；钙的含量1-3％；铝的含量3-8％；锆的含量为≤3％；钕的含量为≤3％；铌的含量为≤3％、，其余为镁和不可避免的杂质。
本发明的骨外科内固定及植入材料用的镁合金，通过加入一定比例的锌，使之形成镁锌相，可以提高镁的强度，调节镁的降解速率；钙的加入，可以起到细化晶粒，提高强度的作用；这两种元素都是人体所必需的营养元素，具有良好的生物相容性。
本发明的骨外科内固定及植入材料用的镁合金，通过加入一定比例的铝可以形成新的合金相，调节合金的降解速率和力学强度。
本发明的骨外科内固定及植入材料用的镁合金中，锆、钕、铌这三种稀土元素都是已经在一些医用合金中得到广泛的应用，具有良好的生物相容性。用它们作为微量合金元素可以进一步控制镁合金的物理化学性能；调节镁合金的降解速率；改善其加工性能。锆、铌元素利于合金的强化，降低合金的弹性模量，提高合金的韧性。钕元素可提高合金的高温性能和耐腐蚀性，提高镁合金的可加工性和调节镁合金的降解速率。
因此，本发明通过调节合金元素的组成和比例，使得镁合金骨外科内固定及植入材料的降解性能得到稳定的控制，降解半衰期可以控制在0.01-2mm/年，降解生成的金属离子除少部分被人体利用外，大部分通过肾小管的过滤排除体外。镁合金骨外科内固定及植入材料的力学性能得到良好的控制，弹性模量可以控制在40-50Gpa，满足骨外科内固定及植入材料的力学要求。
镁合金的降解速率、力学性能、生物相容性，通过材料的本体性能和表面改性进行调节。合金的本体性能包括合金化的元素及组成比例；材料的加工状态；材料的微观结构(晶粒度及金相结构)等。表面改性的方法包括：表面钝化处理；离子注入；表面合金化；阳极氧化；化学转化膜，等离子体处理和表面涂覆等方法。通过各种表面改性方法，可以调节镁合金骨外科内固定及植入材料的降解速率，同时可以提高其表面生物活性，利于骨损伤的愈合。
综上所述，本发明得到镁合金骨外科内固定及植入材料具有如下优点：
1.安全性：镁、锌、钙是人体内必需元素，研究表明：镁合金对于骨髓细胞的生长没有抑制作用，也没有发现细胞溶解现象。
2.可控的降解性。镁合金的降解是通过表面腐蚀来实现的，因此具有比较恒定的降解速率，这种降解速率可通过合金的元素成分和表面修饰来调节，使得镁合金的力学强度和降解速率实现很好的匹配。
3.合适的力学性能。镁合金的弹性模量为41-45GPa，在现有的骨外科内固定及植入材料材料(钛合金(110-117GPa)、钴铬合金230GPa和不锈钢189-205GPa)中接近人骨的模量(3-20GPa)，能有效降低应力遮挡效应，利于骨的愈合。
4.合适的理化性能。镁合金的密度为1.74-2.0g/cm3左右，与人体骨的密度(1.8-2.1g/cm3)极为接近，远低于其它金属材料的密度，符合理想骨外科内固定及植入材料的要求。与现有的医用可降解高分子材料相比，镁合金具有高的比强度和比刚度，在同样的力学要求下可以减少骨外科内固定及植入材料的体积和质量。
5.资源丰富，价格低廉：镁锭的价格在2万元/吨以下，钛锭的价格在6万元/吨以上。发展镁合金骨外科内固定及植入材料和其它的植入材料，对于我国生物医用材料产业和镁制品产业将产生巨大的推动作用。
因此，本发明可降解镁合金骨外科内固定及植入材料具有良好的生物相容性、优良的力学性能和可控的降解速率，能够满足骨外科内固定及植入材料的需要，特别适用于钉板系统和髓内钉系统等。
具体实施例
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
将镁锌钙合金作为接骨板与接骨钉或髓内钉材料，其重量百分比组成为：锌的含量为5％；钙的含量为3％，其余为镁和不可避免的杂质。接骨板与接骨钉或髓内钉的抗拉强度为150MPa，屈服强度为120MPa，断裂伸长率为5％。将接接骨板与接骨钉或髓内钉浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.40mm/年。
实施例2：
将镁锌钙铝合金作为接骨板与接骨钉或髓内钉材料，其重量百分比组成为：锌的含量为3％；钙的含量为1％，铝的含量为4％；其余为镁和不可避免的杂质。接骨板与接骨钉或髓内钉的抗拉强度为250MPa，屈服强度为230MPa，断裂伸长率为9％。将接骨板与接骨钉或髓内钉浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.25mm/年。
实施例3：
将镁锌钙--稀土合金作为接骨板与接骨钉或髓内钉材料，其重量百分比组成为：锌的含量为2％；钙2％；；钕1％；铌3％，其余为镁和不可避免的杂质。接骨板与接骨钉或髓内钉的抗拉强度为200MPa，屈服强度为180MPa，断裂伸长率为8％。将接骨板与接骨钉或髓内钉浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.20mm/年。
实施例4：
将镁锌钙-稀土合金作为接骨板与接骨钉或髓内钉材料，其重量百分比组成为：锌的含量为2％；钙1％；铝3％，锆1％；钕2％；铌2％，其余为镁和不可避免的杂质。接骨板与接骨钉或髓内钉的抗拉强度为250MPa，屈服强度为230MPa，断裂伸长率为10％。将接骨板与接骨钉或髓内钉浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.16mm/年。
实施例5：
将镁锌钙铝-稀土合金作为接骨板与接骨钉或髓内钉材料，其重量百分比组成为：锌的含量为3％；钙1％；铝8％；锆3％；钕2％；，其余为镁和不可避免的杂质。接骨板与接骨钉或髓内钉的抗拉强度为270MPa，屈服强度为310MPa，断裂伸长率为7％。将接骨板与接骨钉或髓内钉浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.1mm/年。
实施例6：
镁合金材料同实施例1，骨外科内固定及植入材料表面进行磷化处理，磷化液的配方为Na2HPO4(20g/l)+H3PO4(7.4ml)+NaNO2(3g/l)+NaNO3(1.84g/l)，在磷化液中浸泡300s，取出，用去离子水冲洗表面，自然干燥后得到表面磷化的镁合金骨外科内固定及植入材料。处理后骨外科内固定及植入材料的抗拉强度为160MPa，屈服强度为120MPa，断裂伸长率为5％。将骨外科内固定及植入材料浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.18mm/年。
实施例7：
镁合金材料同实施例2，骨外科内固定及植入材料表面用仿生溶液的方法进行进行羟基磷灰石涂层处理，仿生溶液的配方为Na2HPO4(5mM/l)+CaCl2(10mM/l)+NaHCO3(2mM/l)，在磷化液中浸泡24小时，取出，用去离子水冲洗表面，自然干燥后得到羟基磷灰石涂层处理的镁合金骨外科内固定及植入材料。处理后骨外科内固定及植入材料的抗拉强度为270MPa，屈服强度为250MPa，断裂伸长率为9％。将骨外科内固定及植入材料浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.1mm/年。
实施例8：
镁合金材料同实施例5，骨外科内固定及植入材料表面首先用1％的醋酸进行清洗1min，然后在去离子水中冲洗3次，干燥。将干燥后的接骨板和接骨钉放入1％胶原溶液中浸泡15min，取出后自然干燥。表面胶原涂敷处理后骨外科内固定及植入材料的抗拉强度为270MPa，屈服强度为310MPa，断裂伸长率为7％。将骨外科内固定及植入材料浸泡在0.9％NaCl溶液中浸泡一个月，根据样品的失重计算其降解速率为0.08mm/年。
实施例9：
镁合金材料选取实施例2和实施例7中的两组材料，用于动物试验。选取体重40Kg的雄性小尾寒羊各2只，麻醉、消毒、铺巾。分别在羊的左前腿依次切开皮肤、皮下组织及肌肉筋膜，暴露挠骨，将挠骨人为骨折后，分别用上述两种接骨板和接骨钉，进行固定，然后逐层缝合伤口。术后禁食6小时，术后3天每日给于肌肉注射240万单位的青霉素。
术后3个月和6个月处死动物，观察植入部位。结果表明，接骨板和接骨钉具有良好的组织相容性，未见排异现象，固定部位没有纤维包囊形成。3个月时骨折部位愈合较好，接骨板和接骨钉已经和组织完全融合，能见到材料开始降解。6个月时，骨折部位完全愈合，镁合金明显降解，且与组织愈合。其中，实施例7中表面羟基磷灰石表面处理的接骨板和接骨钉具有更好的融合性，对骨折愈合的程度没有明显的影响。
结果：因此，本发明可降解镁合金骨外科内固定及植入材料通过元素调节，表面改性，具有良好的生物相容性、优良的力学性能和可控的降解速率，能够满足骨外科内固定及植入材料的需要，特别适用于钉板系统和髓内钉系统等。

Claims (5)

1. 镁合金骨外科内固定及植入材料，以纯镁为基材，添加有钙元素，锌元素，所述锌含量为2-5％，钙含量为1-3％。
2. 根据权利要求1所述的镁合金骨外科内固定及植入材料，所述镁合金中还含有铝元素，所述铝元素含量为3-8％
3. 根据权利要求1或2所述的镁合金骨外科内固定及植入材料，所述镁合金中还含有稀土元素锆、钕或/和铌元素，所述锆含量≤3％，钕含量≤3％，铌含量≤3％。
4. 根据权利要求1所述的镁合金骨外科内固定及植入材料，所述镁合金表面还经过表面改性，所述表面改性方法包括：表面钝化处理，离子注入，表面合金化，阳极氧化，化学转化膜，等离子体处理和表面涂覆。
5. 权利要求1所述的镁合金骨外科内固定及植入材料在钉板系统、髓内钉系统中的应用。
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