CN101524558A

CN101524558A - 生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料

Info

Publication number: CN101524558A
Application number: CN200910103351A
Authority: CN
Inventors: 高家诚; 张敏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-09-09
Anticipated expiration: 2029-03-11
Also published as: CN101524558B

Abstract

本发明涉及一种生物可降解羟基磷灰石－镁钙金属基复合材料，属于生物医用材料领域，所述材料由镁钙合金和羟基磷灰石颗粒的混合物组成，镁钙合金组分及质量百分比为，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，余量为Mg。羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为0.01～50∶100。本发明采用粉末冶金法制造。本发明材料基体与增强纳米颗粒之间的结合紧密，纳米颗粒分布均匀。本发明可生物降解，具有良好的力学性能和生物活性，在骨组织工程支架、骨内固定紧固件及骨承重部位缺损修复等医用材料领域有广泛的应用前景。

Description

生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料

技术领域

本发明涉及一种生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，具体的说，是一种以镁钙合金为基体，羟基磷灰石为增强体的生物复合材料，属于生物医用材料领域。

背景技术

镁及镁合金具有生物可降解性，是骨组织修复与替换用理想的金属材料。它与常用生物金属材料相比，(1)在人体内约有1摩尔，其中约一半储存在骨组织中。其密度(1.74～2.0g/cm³)远低于医用钛合金(4.4～4.5g/cm³)，与人骨密度(1.8～2.1g/cm³)相近。(2)有高的比强度和比刚度，杨氏模量为41～45GPa，不到钛合金(110～117GPa)的1/2，可有效缓解应力遮挡效应。(3)是人体细胞内第二重要的阳离子，其含量仅次于钾。镁能激活体内多种酶，抑制神经异常兴奋性，维持核酸结构的稳定性，参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节。(4)标准电极电位(-2.37V)很低，在含有Cl^-的人体环境中耐腐蚀性低，形成的氧化物无毒可溶，可随尿液排除，对身体没有损害。

镁及其镁合金作为可生物降解医用金属材料，其应用始于上世纪初。1907年，Lambotte尝试用纯镁骨钉固定骨折伤口，但由于镁基体腐蚀过快以及皮下产生过量氢气而失败。从20世纪90年代起，随着人们对镁合金生产技术等研究的不断深入，在控制镁合金耐腐蚀性方面得到了很多提高，镁合金的生物医用性又重新引起人们的关注。

为了控制镁合金的降解速率，同时保持其良好的生物相容性，生物材料工作者开展了对生物镁钙合金的研制工作。德国学者B.Denkena等(B.Denkena，F.Witte，C.Podolsky，A.Lucas.Degradable implant made of magnesium alloys.Proc.of 5^th euspen international conference，2005)对镁钙合金进行了腐蚀性能研究。结果表明，与AZ91相比，镁钙合金腐蚀更均匀，更适合用作植入材料，但腐蚀速率仍需改善。Zijian Li等(Zijian Li，Xunan Gu，Siquan Lou，YufengZheng，The development of binary MgCa alloys for use as biodegradable materialswithin bone.Biomaterials，2008)研究了镁钙二元合金的腐蚀性能和生物学性能。体外腐蚀试验结果表明，合金的显微组织和加工工艺对腐蚀行为有影响。Mg2Ca相的增加会提高合金的腐蚀速率。L-929细胞毒性试验表明，镁钙合金没有引起细胞毒性。同时与商用Ti螺钉相比，MgCa螺钉植入兔子长骨1、2和3月后，其造骨细胞和骨细胞活性更高。另外，血清中，合金在不同降解阶段浓度没有明显变化。新西兰学者Alexis Pietak等(Alexis Pietak，PatriciaMahoney，George J.Dias，Mark P.Staiger，Bone-like matrix formation onmagnesium and magnesium alloys.J Mater Sci：Mater Med(2008)19：407-415)评价了镁基材料上体外骨细胞培养的可行性。研究表明，纯镁、AZ21和Mg0.5Ca等镁材料支持基质细胞的吸附、分化及向骨状显性(可转变为骨状基质)的转变生长。以上研究表明，镁钙合金有良好的生物相容性和均匀的降解行为，但腐蚀速率、生物活性和力学性能有待改善，目前主要的方法有加工变形、表面改性和合金化。

借鉴工程用镁合金的设计思路，加工变形可有效改善镁钙合金的力学性能。Zijian Li等(Zijian Li，Xunan Gu，Siquan Lou，Yufeng Zheng，Thedevelopment of binary MgCa alloys for use as biodegradable materials within bone.Biomaterials，2008)的研究表明，加工方式可改变材料的力学性能。铸态Mg-1Ca的极限抗拉强度和形变(71.38MPa和1.87％)通过热轧和热挤后明显改善，分别达到166.7MPa和3％、239.63MPa和10.63％。Y.Z.Wan等(Y.Z.Wan，G.Y.Xiong，H.L.Luo，F.He，Y.Huang，Y.L.Wang，Influence of zinc ionimplantation on surface nano mechanical performance and corrosion resistance ofbiomedical magnesium-calcium alloys，Applied Surface Science，2007)研究了镁钙合金的锌离子注入。离子注入后，有效改善了合金的表面硬度和模量。德国学者B.Denkena等(B.Denkena，A.Lucas，Biocompatible Magnesium Alloys asAbsorbable Implant Materials-Adjusted Surface and Subsurface Properties byMachining Processes.Annals of the CIRP Vol.56/1/2007)研究了机械加工对镁钙合金性能的影响。结果表明，通过轧制在Mg3.0Ca表面产生残余压应力，提高了材料的表面强度和耐蚀性能。为了提高镁钙合金的生物活性及控制它的降解速率，常采用表面改性的方法，在材料表面沉积一层活性较好的物质。乔丽英(乔丽英，镁基生物材料的表面改性和生物相容性研究，博士学位论文，重庆大学，2008)系统研究了硬脂酸自组装膜改性处理后，镁钙合金的腐蚀行为和生物学性能。结果表明，改性后镁钙合金的腐蚀抗力增加；浸泡试验中，材料表面钙和磷的沉积速度更快，显示了更优的生物活性。工程上也常常采用合金化的方法提高镁钙合金的性能。Y.Ortega等(Y.Ortega，T.Leguey，R.Parej，Tensile fracture behavior of aging hardened Mg-1Ca andMg-1Ca-1Zn alloys.Materials Letters 62(2008)3893-3895)研究了295-450K温度区间，峰时效态Mg1.0Ca和Mg1.0Ca1.0Zn合金的拉伸和断裂性质。在这个温度范围内，Mg1.0Ca的抗拉强度线性减少20％，而Mg1.0Ca1.0Zn下降较少。说明，Mg1.0Ca1.0Zn中的沉淀物在450K时仍然保持了强度。

以上分析可以看出，机械加工、表面改性或合金化只能改善镁钙合金的某一种或两种性能。作为可承重的骨组织替换与修复用金属材料，应具有良好的生物相容性，可调控的降解速率与适宜的强度、韧性、弹性模量、耐磨性等机械性能，此外良好的成型加工性能也是保证其广泛应用的重要方面。以生物活性材料羟基磷灰石作为增强体，锌作为微量合金化元素，镁钙合金作为基体，通过基体组元含量、增强体尺寸、含量及分布来获得适宜的力学性能和降解速率，将有望克服单纯镁合金作为骨科材料所面临的问题。

羟基磷灰石增强金属镁复合材料的研究较少。德国学者(Biodegradablemagnesium-hydroxyapaptite metal matrix composites，Biomaterials，2007(28)；中国专利，公开号CN101330933A)以粉末冶金法制备了羟基磷灰石增强AZ91镁合金复合材料。结果显示，该材料具有良好的生物相容性；在人造海水和细胞培养液中，羟基磷灰石的加入都能够在复合材料表面形成保护层，从而提高镁合金基体的抗腐蚀能力。但德国学者采用的AZ91中的铝元素具有神经毒性，是导致神经错乱和老年痴呆症的因素。国内学者陈民芳等(中国专利，公开号CN101185777A)公开了一种可降解纳米羟基磷灰石/镁合金血管内支架材料。基材镁合金的合金化元素是锌和锆。羟基磷灰石的添加量为0.1％～5％，直径10～15nm，长100～200nm。这种材料主要用于血管管腔狭窄的治疗。

控制镁合金降解速率、提高其力学性能和生物活性，是开发骨组织修复与替换用可降解镁合金材料必须解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可生物降解的、具有良好的力学性能和生物活性的羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，主要用作骨组织修复与替换的生物医用材料。

本发明的目的是这样实现的：一种生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料由作为基材的镁钙合金和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为0.01～50∶100。

所述镁钙合金组分及质量百分比为，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，余量为Mg。

其中，羟基磷灰石和镁钙合金优化的质量比为2～20∶100，更优化的质量比为5～15∶100。

所述羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的。

本发明的有益效果是：

1)本发明具有生物可降解性。金属镁在体液中通过化学反应转变成镁离子，镁离子通过体内的吸收和肾脏的代谢调节平衡，从而使镁合金材料在体内逐渐被吸收降解。增强体羟基磷灰石通过在体液中的溶解与再结晶，逐步降解并诱导生成新的骨磷灰石。

2)本发明具有良好的生物相容性。钙、锌和镁都是人体必需的元素，对体内细胞的生长有着重要作用，由它们构成的合金体系有良好的生物相容性。

3)本发明具有可调的力学性能。时效过程中，镁钙合金的Mg₂Ca相析出可提高其强度和蠕变抗力。添加微量锌后，固溶的锌抑制淬火空位的形成，进一步提高了材料的硬度和弹性模量。羟基磷灰石可以提高镁合金的强韧性。

4)本发明具有可控的降解速率。钙和锌的含量可改变镁合金的腐蚀速率。同时添加羟基磷灰石可有效吸附合金基体腐蚀产生的氢气，使腐蚀均匀进行，并诱导形成保护层，控制合金降解速率。

5)本发明具有好的生物活性。镁是钙成骨的必要元素，因此镁和钙离子的共同释放可能有助于骨愈合。羟基磷灰石本身是生物活性材料，添加后能促进造骨细胞的分化与增殖，提高合金基体的生物活性。

具体实施方式

以下结合实施例详细介绍本发明。

本发明的生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，由作为基材的镁钙合金和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为0.01～50∶100。

所述镁钙合金组分及质量百分比为，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，余量为Mg，即镁钙合金中既可以添加也可以不添加微量元素Zn。

作为一个优化的方案，所述羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为2～20∶100，更优化为5～15∶100。

作为一个优化的方案，羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的。

本发明生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料中羟基磷灰石中钙离子可部分被镁、钾、钠或锌等离子替换；羟基磷灰石中磷酸根离子可部分被碳酸根、磷酸氢根等离子替换；羟基磷灰石中氢氧根离子可部分被碳酸根、氟离子和氯离子等离子替换。

本发明生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料是基于以下考虑：1、添加合金元素Ca。(1)钙是构成骨骼的主要成分，也是各种生物膜的结构成分，有着重要的生理功能。(2)钙密度低，可以调控镁钙合金与骨有相似的密度。(3)镁是钙成骨的必要元素，因此镁和钙离子的共同释放可能有助于骨愈合。(4)钙能提高镁合金的高温抗氧化性、耐蚀性和时效硬化，提高力学性能；2、添加微量合金化元素Zn。(1)锌是不可缺少的营养元素，对生长发育、物质代谢有重要的作用。(2)锌可提高镁钙合金的强度和耐腐蚀性；3、添加羟基磷灰石。(1)可有效吸附合金基体腐蚀产生的氢气，使腐蚀均匀进行。(2)诱导形成保护层，控制合金降解速率。(3)提高合金基体的生物活性。

本发明按如下步骤实现上述生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料的合成：

1、首先采用高洁净度熔炼技术制备镁钙合金。

(1)原材料Mg的纯度不小于99.9％，Ca的纯度不小于99.9％，Zn的纯度不小于99.75％。Mg、Ca和Zn在镁钙合金中的质量百分比为，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，其余为Mg。

(2)熔炼过程采用真空或气氛(CO₂+SF₆、Ar)保护，采用石墨坩埚熔炼，熔炼温度在973K以上。当采用真空熔炼时，Mg、Ca和Zn同时放入，熔炼温度在973～1123K之间；当采用气氛保护熔炼时，先放入Mg，待Mg熔化后，在973～1023K范围内加入Ca和Zn，静置一段时间。

(3)镁熔体在钢模或铜模中浇注，得到镁钙合金铸锭，浇注前混合均匀。

2、采用粉末冶金法制备羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料。

(1)镁钙铸锭车削成屑后，在球磨机上磨成粉末，球磨过程中氩气保护。

(2)镁钙合金粉末和羟基磷灰石粉末在球磨机上机械混合均匀。

(3)混合物粉末在模具中冷压成型。

(4)经烧结和形变加工后制成所需的型材，从型材制成植入体内的各种骨组织修复与替换用医疗器械。

以下给出5个得到本发明生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料的实施例。

实施例1：

纯度不小于99.99％的Mg块120.1440g，纯度不小于99.999％的Ca颗粒0.9647g。采用真空熔炼，石墨坩埚。熔炼温度为1073K。钢模浇注。镁钙铸锭车削成小段的金属屑后，用丙酮溶液超声波清洗，再放入球磨机中球磨，球磨过程氩气保护。球磨约2小时，球磨转速500转/分钟，金属屑磨成粉末。加入约12.3428g羟基磷灰石粉末，一起球磨约20分钟，球磨转速361转/分钟。混合均匀后的粉末放入模具中，在万能试验机上冷压成型。经过753K3小时烧结和该温度下热挤压成型。该材料具有良好的生物学性能和力学性能，其抗拉强度和形变分别为253MPa和8％，可在生物体液中降解吸收。

实施例2：

纯度不小于99.9％的Mg粉82.6775g，纯度不小于99.999％的Ca颗粒1.6400g，纯度不小于99.75％的Zn颗粒0.1652g。采用真空熔炼，石墨坩埚。熔炼温度为993K。钢模浇注。镁钙铸锭车削成小段的金属屑后，用丙酮溶液超声波清洗，再放入球磨机中球磨，球磨过程氩气保护。球磨约1.5小时，球磨转速500转/分钟，金属屑磨成粉末。加入约4.2358g羟基磷灰石粉末，一起球磨约20分钟，球磨转速361转/分钟。混合均匀后的粉末放入模具中，在万能试验机上冷压成型。经过773K3.5小时烧结和该温度下热挤压成型。该材料具有良好的生物学性能和力学性能，其抗拉强度和形变分别为232MPa和6％，可在生物体液中降解吸收。

实施例3：

纯度不小于99.99％的Mg粉120.2567g，纯度不小于99.999％的Ca颗粒6.3831g，纯度不小于99.75％的Zn颗粒1.0221g。熔炼过程采用氩气保护，石墨坩埚。熔炼温度为1023K。铜模浇注。镁钙铸锭车削成小段的金属屑后，用丙酮溶液超声波清洗，再放入球磨机中球磨，球磨过程氩气保护。球磨约2小时，球磨转速500转/分钟，金属屑磨成粉末。加入约25.4002g羟基磷灰石粉末，一起球磨约30分钟，球磨转速361转/分钟。混合均匀后的粉末放入模具中，在万能试验机上冷压成型。经过773K3小时烧结和该温度下热挤压成型。该材料具有良好的生物学性能和力学性能，其抗拉强度和形变分别为280MPa和3％，可在生物体液中降解吸收。

实施例4：

纯度不小于99.99％的Mg粉120.2370g，纯度不小于99.999％的Ca颗粒0.2564g。采用真空熔炼，石墨坩埚。熔炼温度为973K。钢模浇注。镁钙铸锭车削成小段的金属屑后，用丙酮溶液超声波清洗，再放入球磨机中球磨，球磨过程氩气保护。球磨约1.5小时，球磨转速500转/分钟，金属屑磨成粉末。加入约0.2650g羟基磷灰石粉末，一起球磨约24分钟，球磨转速361转/分钟。混合均匀后的粉末放入模具中，在万能试验机上冷压成型。经过753K3.5小时烧结和该温度下热挤压成型。该材料具有良好的生物学性能和力学性能，其抗拉强度和形变分别为230MPa和12％，可在生物体液中降解吸收。

实施例5：

纯度不小于99.9％的Mg块120.2234g，纯度不小于99.999％的Ca颗粒1.2205g，纯度不小于99.9％的Zn颗粒0.6121g。熔炼过程采用CO₂+SF₆保护，石墨坩埚。熔炼温度为923K。铜模浇注。镁钙铸锭车削成小段的金属屑后，用丙酮溶液超声波清洗，再放入球磨机中球磨，球磨过程氩气保护。球磨约1.5小时，球磨转速500转/分钟，金属屑磨成粉末。加入约60.1143g羟基磷灰石粉末，一起球磨约1小时，球磨转速300转/分钟。混合均匀后的粉末放入模具中，在万能试验机上冷压成型。经过853K下5小时烧结和该温度下热挤压成型。该材料具有良好的生物学性能和力学性能，其抗拉强度和形变分别为310MPa和2.5％，可在生物体液中降解吸收。

Claims

1、一种生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料由作为基材的镁钙合金和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为0.01～50∶100。

2、根据权利要求1所述的生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于：所述镁钙合金组分及质量百分比为，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，余量为Mg。

3、根据权利要求1或2所述的生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为2～20∶100。

4、根据权利要求3所述的生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石和镁钙合金的质量比为5～15∶100。

5、根据权利要求4所述的生物可降解羟基磷灰石-镁钙金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的。