CN101347639A

CN101347639A - 医用镁合金/磷酸钙复合材料

Info

Publication number: CN101347639A
Application number: CNA2007100122047A
Authority: CN
Inventors: 张二林; 杜辉; 杨柯
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2007-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2009-01-21

Abstract

本发明涉及一种可以应用于医用植入材料的镁合金/磷酸钙复合材料，特别适合作为人体环境下使用的可吸收骨植入材料。它含有(重量％)：1－30％磷酸钙。磷酸钙可以是磷酸钙(CaO·P₂O₅)，β－磷酸钙(3CaO·P₂O₅)，羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)，含镁羟基磷灰石，含硅羟基磷灰石中的一种或几种。镁合金可以是高纯镁、Mg－Mn、Mg－Zn、Mg－Ca、Mg－Zn－Ca、Mg－Zn－Y、Mg－Zn－Mn和Mg－Zn－Zr合金中的任何一种。在本发明的镁合金基复合材料中，通过调整羟基磷灰石的含量，可以有效地改变复合材料的强度；同时，降低镁合金的腐蚀降解速率，提高镁合金基复合材料的表面生物相容性和生物诱导性。

Description

医用镁合金/磷酸钙复合材料

技术领域

本发明涉及镁合金/磷酸钙复合材料，特别是一种适合作为在人体环境下使用的可吸收医用镁合金/磷酸钙复合材料。

背景技术

在医用骨修复和骨植入材料中，不锈钢、钛以及钛合金因其优良的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能成为应用广泛的材料。但是不锈钢和钛合金的力学性能与骨组织不匹配，特别是弹性模量，因此植入体承担了几乎全部载荷。这样在使用过程中会造成“应力屏蔽”，导致植入体周围的骨组织出现萎缩或疏松现象。同时，不锈钢和钛合金骨钉、骨板等植入体在骨组织痊愈后需要后续的手术将其从人体中取出，增加了患者的痛苦和经济负担。

研究和开发高强韧且可以在体内降解的医用材料成为该领域中的重要发展方向。可降解高分子材料可以在体内降解，但是其力学性能偏低，例如其弹性模量约为3-5GPa，应用于骨植入体时，无法应用于承力部位；而且高分子降解后产生酸积累，引起肌体组织炎症。

镁合金的弹性模量约为40GPa，与骨组织非常接近，可以有效地减轻不锈钢或钛合金植入材料造成的“应力屏蔽”现象。同时镁合金的具有较高的抗拉强度，可以承受较大的载荷，应用于骨组织承载部位。镁是人体内仅次于钾的细胞内正离子，它参与体内一系列新陈代谢过程，包括骨细胞的形成和加速骨愈合能力等。有证据证明镁的损耗反过来可以引起骨组织停止生长，降低造骨细胞和破骨细胞的活性和导致骨质脆弱。镁还与神经、肌肉及心脏功能关系密切。美国建议成年男子每日需摄入的镁量为420mg。因此用镁及镁合金作为医用植入材料，其腐蚀溶解的镁离子对人体的微量释放还是有益的。另外，镁及镁合金的标准电极电位较低(-2.36V SCE)，不耐腐蚀，特别是在含有Cl^-1离子的人体体液中容易腐蚀降解。所以镁及镁合金可以被人体吸收。镁及镁合金作为骨植入材料的研究起始于上世纪的30-40年代。尽管临床应用已经证明镁合金具有非常好的生物相容性，但是由于镁和镁合金在人体中腐蚀降解的太快，会产生氢气，限制了镁合金作为植入材料的应用。尽管高纯度镁(比如99.99％高纯镁)具有非常好的耐NaCl腐蚀性能，但是其力学性能低，不及骨组织的力学性能。镁合金尽管可以达到较高的强度，但是腐蚀降解速度快。另外，如何促进骨组织在镁合金表面的早期愈合即表面骨组织相容性也是镁合金植入材料面临的一大难题。因此，获得腐蚀降解速度低、具有高强韧和良好表面骨组织相容性的镁基材料成为研究的关键。

在骨植入材料中，磷酸钙是一类与人骨矿物质非常接近的陶瓷材料，具有很好的骨相容性。其中，羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)具有非常好的骨组织相容性和骨组织诱导性，被广泛采用作为骨植入材料。研究者对羟基磷灰石系列骨植入材料进行了大量的研究工作。有研究指出单相的羟基磷灰石很难被人体吸收，但是含有β-磷酸钙的双相磷灰石具有很好的可吸收性。最近的研究更指出含镁羟基磷灰石(W.L.Suchanek，等J.Solid State Chem，277(2004)：793-799)和含硅羟基磷灰石(E.S.Thian等Mater.Sci.Eng.C 27(2007)：251-256)与自然骨成分更接近，具有比单相羟基磷灰石更好的骨组织相容性和骨组织诱导性，成为新型改性羟基磷灰石。

因此，将镁合金与磷酸钙复合起来，利用磷酸钙的良好骨组织相容性和骨组织诱导性以及磷酸钙降解速度慢的特点，提高镁合金的表面骨组织相容性和骨组织诱导性，同时降低镁合金的腐蚀速率，可以开发出具有适当腐蚀降解速率、高强韧和良好骨组织相容性和骨组织诱导性的镁合金基骨植入材料。

发明内容

本发明的目的就是提供一种可应用于医用骨植入材料的镁合金/磷酸钙复合材料，该材料具有良好的生物相容性和满意的耐腐蚀性能，而且能够达到足够的强度。

本发明的技术方案是：

一种医用骨植入镁合金/磷酸钙复合材料，含有(重量％)：1-30％的磷酸钙(优选的含量为1-20％)。磷酸钙是磷酸钙(CaO·P₂O₅)，β-磷酸钙(3CaO·P₂O₅)，羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)，含镁羟基磷灰石(Mg-substituted hydroxyapatite镁含量范围为0.1-3％，重量)，含硅羟基磷灰石(Si-substituted hydroxyapatite，硅含量范围为0.1-3％，重量)中的一种或几种。镁合金是高纯镁、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Zr合金中的一种。

本发明中使用的磷酸钙是磷酸钙(CaO·P₂O₅)，β-磷酸钙(3CaO·P₂O₅)，羟基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)，含镁羟基磷灰石，含硅羟基磷灰石中的一种或几种。通过调节磷酸钙组成和比例，可以适当地调节复合材料的降解速度，也可以调节复合材料的骨组织相容性和骨组织诱导性。

本发明中使用的镁或镁合金可以是高纯镁，也可以是Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Zr合金中的一种。其中：

Mg-Mn合金中，按重量百分比计，含有0.1-2.0Mn％，镁余量。

Mg-Zn合金中，按重量百分比计，含有0.1-8％Zn，镁余量。

Mg-Ca合金中，按重量百分比计，含有0.1-5％Ca，镁余量。

Mg-Zn-Ca合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Ca含量范围为：1-4％。

Mg-Zn-Mn合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Mn含量范围为：0.1-2％。

Mg-Zn-Y合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Y含量范围为：1-4％。

Mg-Zn-Zr合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Zr含量范围为：0.1-2％。

合金成分的选择一方面可以调整合金的力学性能和腐蚀降解性能，另一方面也考虑到合金腐蚀降解后对人体健康的危害。合金中采用的锌是人体最为基本的元素之一。锌能促进细胞的更新，是人体必需的微量元素，可增强人体的免疫功能，维持机体的生长和发育。锌是许多蛋白质、核酸合成酶的成分，是上百种酶的活性中心。锌为胰岛素成分，是维持生命正常活动的关键因素。锌缺损可能导致人体所有的生理机能紊乱。锰是人体生理机能必不可少的15种微量元素之一。人体每日需锰量约3-9mg。锰参与体内多种酶的活动，是酶的激活剂，促进新陈代谢。锰还能促使骨骼钙化，提高蛋白质的代谢，促进维生素B1在肝脏中的积蓄。钙是构成植物细胞壁和动物骨骼的重要成分。参与某些重要的酶反应。在维持心脏正常收缩、神经肌肉兴奋性、凝血和保持细胞膜完整性等方面起重要作用。钙最重要的生物功能是信使作用。钇和锆可以提高合金的强度和耐腐蚀能力。

本发明的复合材料可以采用铸造和变形相结合的方法制备。首先熔化设计的镁或镁合金，然后将设计好的磷酸钙粉末按一定的比例加入到合金液中，经搅拌使其均匀分布。其次，将合金液浇铸于铸型中成形，随后可以采用常规的变形处理，例如扎制、锻造、挤压，改善其组织和力学性能，并成形为板材或棒材等。

本发明的复合材料也可以采用粉末冶金和变形相结合的方法制备。将镁或镁合金粉末与设计的磷酸钙粉末按一定的比例混合，冷压成型。然后在一定的温度下烧结成形。烧结过程中可以施以压力，提高材料的致密度和力学性能。烧结成形后的材料，也可以采用常规的变形处理，例如扎制、锻造、挤压，改善其组织和力学性能，并成形为板材、棒材等。

本发明的优点及有益效果是：

1、在本发明的镁合金/磷酸钙复合材料中，增加了磷酸钙成分，一方面降低镁合金的腐蚀降解速率，另一方面可以提高镁合金表面的骨组织相容性和骨组织诱导性。

2、在本发明中采用的磷酸钙可以一种磷灰石，也可以是几种的混合。通过调整磷酸钙的成分，可以调整复合材料的腐蚀降解性能，更重要的是可以调整复合材料表面的骨组织相容性和诱导特性。

3、在本发明中使用的镁合金中不含对人体有潜在毒副作用的合金化元素。所含的合金化元素Zn，Ca，Mn都是人体健康不可或缺的微量元素，有利于人体健康。同时，通过合金中合金元素的搭配设计，获得最佳的力学性能和耐腐蚀性能。

具体实施方式

通过下述实施例可以更好地理解本发明，但这些实例并不用来限制本发明。在以下的实施例中：

拉伸性能测试：拉伸试验参考国家标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》。拉伸试样为片状试样，标距为20mm，试样厚度为2mm。采用标距为10mm的引伸计测定材料的延伸率。

电化学极化实验：电化学极化实验使用的是自动腐蚀测量体系，试样的暴露区域面积为1cm²，实验前试样表面用金相砂纸打磨到1000#，抛光至1μm。将试样浸入丙酮溶液中，超声波清洗10分钟后，用电吹风吹干。极化实验在盛有500ml模拟人体体液烧杯中进行，溶液温度控制在37±1℃。使用标准的三电极体系测量：参比电极为饱和甘汞电极、辅助电极为铂电极、试样作为工作电极。扫描速度0.3mV/s。采用分析纯化学试剂和蒸馏水配制模拟人体体液，其化学成份见表1。

表1试验用模拟体液的化学成分(g/L)

NaCl	Na₂HPO₄·2H₂O	NaHCO₃	KCl	KH₂PO₄	MgCl₂·6H₂O	MgSiO₄·7H₂O	CaCl₂
NaCl	Na₂HPO₄·2H₂O	NaHCO₃	KCl	KH₂PO₄	MgCl₂·6H₂O	MgSiO₄·7H₂O	CaCl₂	8.0	0.06	0.35	0.4	0.06	0.10	0.2	0.14

实施例1：

将40-100μm的高纯镁粉与小于10μm的磷酸钙粉末(50％羟基磷灰石+50％β-磷酸钙，重量比)分别按磷酸钙粉末所占的重量百分比10％，20％和30％的比例采用湿法球磨的方法混合24小时，冷压成形。然后在真空(真空度为1×10^-4Pa)烧结2小时成烧结坯。最后在一定的条件下挤压成棒材。

实施例2：

首先在电阻炉上熔炼Mg-1.0Zn-0.8Mn(重量百分数)。合金采用99.99％纯镁、99.99％纯锌配制，合金中的锰(Mn)是以化学纯MnCl的形式加入。熔炼是在体积配比为99～99.5％CO₂和0.5～1％SF₆(六氟化硫)的保护气氛下进行，熔炼温度控制在700-800℃。然后分别按重量百分数10％，15％加入5-15μm羟基磷灰石粉末，采用机械搅拌的方法使其与镁合金液均匀混合。随后将合金在金属模中铸造成型，然后在一定的条件下挤压成棒状材料。

实施例3：

首先在电阻炉上熔炼Mg-2.0Zn-2.0Ca(重量百分数)。合金采用99.99％纯镁、99.99％纯锌和金属钙熔配。熔炼是在体积配比为99～99.5％CO₂和0.5～1％SF₆(六氟化硫)的保护气氛下进行，熔炼温度控制在700-800℃。然后分别按重量百分数5％和15％加入5-20μm含镁羟基磷灰石粉末(Mg-substitutedhydroxyapatite，含镁1.2％，重量)，采用机械搅拌的方法使其与镁合金液均匀混合。随后将合金在金属模中铸造成型，然后在一定的条件下挤压成棒状材料。

实施例4：

首先在电阻炉上熔炼Mg-3.0Zn-1.0Zr(重量百分数)。合金采用99.99％纯镁、99.99％纯锌和高纯Mg-20％Zr中间合金熔配。熔炼是在体积配比为99～99.5％CO₂和0.5～1％SF₆(六氟化硫)的保护气氛下进行，熔炼温度控制在700-820℃。然后分别按重量百分数10％，20％加入5-20μm含硅羟基磷灰石粉末(Si-substitutedhydroxyapatite，含硅1.2％，重量)，采用机械搅拌的方法使其与镁合金液均匀混合。随后将合金在金属模中铸造成型，然后在一定的条件下挤压成棒状材料。

实施例5：

首先在电阻炉上熔炼Mg-2.0Zn-1.0Y(重量百分数)。合金采用99.99％纯镁、99.99％纯锌合和Mg-20％Y中间合金熔配。熔炼是在体积配比为99～99.5％CO₂和0.5～1％SF₆(六氟化硫)的保护气氛下进行，熔炼温度控制在700-820℃。然后分别按重量百分数5％，10％加入1-5μm的β-磷酸钙粉末，采用机械搅拌的方法使其与镁合金液均匀混合。随后将合金在金属模中铸造成型，然后在一定的条件下挤压成棒状材料。

表2列出了实施例中制备的复合材料的力学性能和电化学腐蚀性能。同时也列出了几种常见的镁合金：高纯镁(铸态)，AZ91E(铸态)和AZ31B(变形态)的力学性能和电化学腐蚀性能。对比发现：在镁合金中加入了磷酸钙形成的镁合金/磷酸钙复合材料具有非常好的耐模拟人体体液腐蚀的性能，而且复合材料仍然具有足够的强度和韧性，可以作为骨植入材料。

表2列出了几种镁合金材料和镁合金基复合材料的力学性能和耐蚀性能

注：表中HA泛指磷酸钙，具体见实例中文字介绍。

Claims

1、医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，按重量百分比计，含有：1-30％磷酸钙，高纯镁或镁合金余量。

2、按照权利要求1所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，磷酸钙为CaO·P₂O₅，3CaO·P₂O₅，Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，含镁羟基磷灰石，含硅羟基磷灰石中的一种或几种。

3、按照权利要求1所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，镁合金是Mg-Mn、Mg-Zn或Mg-Ca二元合金系；或者，镁合金是Mg-Zn-Ca，Mg-Zn-Y，Mg-Zn-Mn或Mg-Zn-Zr合金中的任何一种。

4、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Mn合金中，按重量百分比计，含有0.1-2.0Mn％，镁余量。

5、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Zn合金中，按重量百分比计，含有0.1-8％Zn，镁余量。

6、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Ca合金中，按重量百分比计，含有0.1-5％Ca，镁余量。

7、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Zn-Ca合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Ca含量范围为：1-4％。

8、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Zn-Mn合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Mn含量范围为：0.1-2％。

9、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Zn-Y合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Y含量范围为：1-4％。

10、按照权利要求3所述的医用镁合金/磷酸钙复合材料，其特征在于，Mg-Zn-Zr合金中，按重量百分比计，Zn含量范围为：1-8％，Zr含量范围为：0.1-2％。