CN102258806B - 一种可降解镁基骨科植入生物医用材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可降解镁基骨科植入生物医用材料，其化学成分为Mg-xZn-yCa-zAg，其中x、y、z为重量百分比（wt.%），0.1%≤x≤3.0%、0.1%≤y≤3.0%、0.01%≤z≤2.0%。上述生物医用材料的制备方法是向电阻炉中依次加入预热的金属Mg锭，Zn粒，Ca粒和Ag粒，在六氟化硫和氩气混合气体保护下，加热熔炼、浇注得到合金锭，然后在保护气中锻打，最后反相挤压成植入器件。本发明的可降解镁基骨科植入生物医用材料室温平均断裂强度超过180MPa,平均屈服强度超过120MPa，平均延伸率超过22%，弹性模量都约为47Gpa；合金化元素在基体中分布均匀，耐腐蚀性好，生物相容性优异，适合于骨组织修复和制备骨科中等受力植入器件。

Description

一种可降解镁基骨科植入生物医用材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种医用材料及制备方法，特别涉及一种骨科医用材料及制备方法。

背景技术

镁合金作为新型生物医用材料的特点与优势[M.P. Staiger, A.M. Pietak, J. Huadmai, G. Dias, Biomaterials, 27 (2006) 1728-1734.]：（1）镁合金为可降解金属植入材料，可完全实现体内降解吸收，避免二次手术的痛苦与负担，同时与目前开发的可吸收骨内植入材料（可降解高分子、可吸收生物陶瓷）相比，镁合金具有更优异的强度和塑性组合，以及更接近骨组织的弹性模量和密度。与现有非降解金属材料相比，其弹性模量也更接近骨组织。（2）镁是人体中的必需元素，在人体内中起到多种重要作用，成人每人每日对镁的需求量达到400mg 左右。（3）镁离子具有良好的生物相容性和优异的生物活性，镁离子可促进成骨细胞的增殖及分化、抑制血管内膜增生。镁合金植入生物体内后，可在其表面形成磷酸盐类物质，周围会有大量成骨细胞生成，其活性远远超过可降解高分子及不锈钢、钛合金等非降解金属材料。（4）可降解高分子在体内的降解方式为体降解，降解过程中材料的强度会突然大幅降低。而镁合金在体内的降解方式主要为均匀腐蚀和点蚀，降解过程中器件的承力能力随植入时间呈线性下降关系，在体内可提供更均匀和更长时间的承力能力。通过适宜的表面改性处理，可控制镁合金在体内的降解速率，以满足临床上的不同需求。（5）镁合金具有良好的核磁共振兼容性，与可降解聚乳酸高分子材料相比，具有更好的X 射线可视性。（6）镁资源丰富，价格低廉，且易于加工成形，生产工艺成熟。        

可降解镁合金作为新一代生物医用材料具有超越传统材料的众多优势，符合生物医用材料的发展趋势，可用于开发性能独特的新型医疗器械，造福人类，产生重大的社会和经济效益，它的临床应用将在生物医用材料发展中具有里程碑式的意义。美国自然科学基金会已于2008 年批复成立了“革命性医用金属材料”第三代工程研究中心，投入大量资金用于可降解金属植入材料研究[http://erc.ncat.edu]。德国赫姆赫兹基金会也投入大量经费，连续支持研究开发新型可降解镁合金材料，解决临床应用中存在的问题[http://www.hzg.de/]。

镁合金作为一类新型医用植入材料，主要还有如下的问题需要解决[A. Purnama et,al. Acta Biomaterialia, 6 (2010) 1800-1807.  F. Witte et.al, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 12  63-72.]：（1）力学性能低，纯镁很难满足植入材料所需要的力学条件。（2）耐蚀性差，析出氢气太快，容易形成鼓包，产生炎症。（3）目前合金的降解产物的潜在毒性无法评估，争议较大。（4）国际评估标准欠缺，难申请美国FDA临床使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐腐蚀性好、生物相容性优异、无毒副作用、能促进骨组织愈合的可降解镁基骨科植入生物医用材料及制备方法。本发明主要是采用铸造法得到的可降解镁基骨科植入生物医用材料锭，固溶处理后在保护气中锻打，然后反相挤压成型。

本发明的可降解镁基骨科植入生物医用材料，其化学成分为Mg-xZn-yCa-zAg, 其中x、y、z为重量百分比wt.%，0.1 %≤x≤3.0 %、0.1%≤y≤3.0 %、0.01 %≤z≤2.0 %，余量为Mg。

上述可降解镁基骨科植入生物医用材料的制备方法如下：

（1）将去除表面氧化皮的质量纯度为99.9%的Mg锭、质量纯度为99.99%的Zn粒、Ag粒和Ca粒，粒度都为200目，在200-400 ℃预热30-90分钟后，在六氟化硫和氩气1:10-15混合气体保护下，按顺序依次将金属Mg锭，Zn粒，Ca粒，Ag粒加入到钽坩埚中，电阻炉中温度为770℃，每添加一种原料，搅拌10-30分钟，所有原料都添加完后，再充分搅拌20-50分钟；停止加热，在700-770℃浇注到钢模中，钢模在600-700 ℃下充分预热，浇注后，在电阻炉中保温30-60分钟，然后用水冷却至室温，得到本发明的医用材料合金锭。

（2）将上述合金锭在200-400℃预热30分钟，在六氟化硫和氩气混合气体保护下锻打；锻打量为10-30%，锻打后，在40-60℃热水中冷却。然后在400-500 ℃预热30-60分钟，反相挤压成型，挤压速率为20-60 mm/min，得到本发明的可降解镁基骨科植入生物医用材料的骨部植入件。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、选用人体必需的和代谢途径清楚的元素作为合金化元素，避免了植入材料在降解过程中产生的潜在毒副作用。镁，锌，钙是人体每天必需的元素，降解后将在骨附近富集，促进骨组织愈合；加入银元素，具有杀菌功能，可以消除植入过程中导致的炎症，而且，在身内降解析出的过量的银主要通过毛发、皮层代谢排除，代谢途径清楚，也消除了潜在毒性。

2、在材料制备上，由于合金的合金化元素的含量不高，而且采用快速凝固铸造法，可以最大限度避免了第二相的形成，最大可能地消除了原电池腐蚀，使合金的降解速度完全可控。

3、采用锻打加反向挤压的加工方法，可以制备出组织更加细化，合金化元素在基体中分布均匀，力学性能更加稳定，耐腐蚀性能好且均匀，生物相容性优异，无毒副作用，能促进骨组织愈合，适合于骨组织修复、中等受力骨部植入件（如各种骨钉，骨板植入器件）。

4、本发明的生物医用材料，其室温平均断裂强度超过180 Mpa、平均屈服强度超过120 Mpa、平均延伸率超过22%、弹性模量都约为47 GPa。

附图说明

图1 是本发明实施例1中Mg-3Zn-0.1Ca-2Ag（wt.%）合金的组织扫描电镜图。

图2 是本发明实施例1中Mg-3Zn-0.1Ca-2Ag（wt.%）合金在0.9 wt.%NaCl溶液中，37℃的腐蚀速率图。

图3 是本发明实施例2 中成骨细胞在Mg-0.1Zn-3Ca-0.01Ag（wt.%）合金表面的粘附情况扫描电镜图。

图4 是本发明实施例2 中Mg-0.1Zn-3Ca-0.01Ag（wt.%）合金的组织扫描电镜图。

具体实施方式

实施例 1

取质量纯度为99.99% Zn粒 30克、Ca粒 1克、Ag粒 20 克，粒度均为200目；余量为质量纯度为99.9% Mg锭，将Mg锭去除表面氧化皮。所有添加原料在400℃预热90分钟，按顺序依次将金属Mg锭，Zn粒，Ca粒，Ag粒加入770℃钽坩埚中，在六氟化硫和氩气1:15混合气体保护，制备合金锭；每添加一种原料，搅拌30分钟，所有原料都添加完成后，充分搅拌50分钟，停止加热。合金液在770℃浇注到钢模中，钢模在700 ℃下充分预热，浇注后，在电阻炉中保温60分钟，然后用水冷却至室温，得到组成为：Mg-3Zn-0.1Ca-2Ag（wt.%）的1000 克合金锭；上述合金锭在200℃预热30分钟，在六氟化硫和氩气混合气体保护下锻打；锻打量为10%，锻打后，在60℃热水中冷却；然后在500 ℃预热60分钟，反相挤压成型，挤压速率为 60 mm/min，得到可降解镁基骨科植入生物医用材料的骨部植入件，如图1所示，经过加工变形后，上述合金的组织十分均匀，晶界非常细，没有第二相粒子富集。同时，如图2 所示，上述合金的降解速度低，放出氢气的量稳定。

表1 是Mg-3Zn-0.1Ca-2Ag（wt.%）合金的力学性能检测结果

实施例 2

取质量纯度为99.99%的Zn粒1 克、Ca粒30 克、 Ag粒 0.1 克，粒度均为200目，余量为质量纯度为99.9%的Mg锭，将Mg锭去除表面氧化皮。所有添加原料在200℃预热30分钟后，按顺序依次将金属Mg锭，Zn粒，Ca粒，Ag粒加入770℃钽坩埚中。在六氟化硫和氩气1:12混合气体保护，制备合金锭；每添加一种原料，搅拌10分钟，所有原料都添加完成后，充分搅拌20分钟，在700℃浇注到钢模中，钢模在600 ℃下预热，浇注后，在电阻炉中保温30分钟，然后用水冷却至室温，得到组成为：Mg-0.1Zn-3Ca-0.01Ag（wt.%）1000 克合金锭；上述合金锭在400℃预热30分钟，在六氟化硫和氩气混合气体保护下锻打，锻打量为20%，锻打后，在50℃热水中冷却；然后在400 ℃预热30分钟，反相挤压成型，挤压速率为40 mm/min，得到可降解镁基骨科植入生物医用材料的骨部植入件。从图3 所示可以看出，成骨细胞在上述合金表面完全粘附，生物相容性好。上述合金的组织图如图4所示，晶粒细小，组织均匀。

表2 是Mg-0.1Zn-3Ca-0.01Ag（wt.%）合金的力学性能检测结果

 

实施例 3

取质量纯度为99.99%的Zn粒10 克、Ca粒20 克、 Ag粒 10 克，粒度均为200目，余量为质量纯度为99.9%的Mg锭，将Mg锭去除表面氧化皮。所有添加原料在300℃预热50分钟后，按顺序依次将金属Mg锭，Zn粒，Ca粒，Ag粒加入770℃钽坩埚中。在六氟化硫和氩气1:10混合气体保护，制备合金锭；每添加一种原料，搅拌25分钟，所有原料都添加完成后，充分搅拌40分钟，在720℃浇注到钢模中，钢模在650 ℃下预热，浇注后，在电阻炉中保温50分钟，然后用水冷却至室温，得到组成为：Mg-1Zn-2Ca-1Ag（wt.%）1000 克合金锭；上述合金锭在300℃预热30分钟，在六氟化硫和氩气混合气体保护下锻打，锻打量为30%，锻打后，在40℃热水中冷却；然后在450 ℃预热45分钟，反相挤压成型，挤压速率为20 mm/min，得到可降解镁基骨科植入生物医用材料的骨部植入件。

表3 是Mg-1Zn-2Ca-1Ag（wt.%）合金的力学性能检测结果

 

Claims (2)

1. 一种可降解镁基骨科植入生物医用材料，其特征在于，其化学组成表达式为：Mg-xZn-yCa-zAg, x，y，z为质量百分数，1%≤x≤3.0%，2%≤y≤3.0%，1%≤z≤2.0%，余量为Mg。

2.上述权利要求1所述的一种可降解镁基骨科植入生物医用材料的制备方法，将去除表面氧化皮的质量纯度为99.9%的Mg锭、质量纯度为99.99%的Zn粒、Ag粒和Ca粒, 粒度都为200目，在200-400℃预热30-90分钟后，在六氟化硫和氩气1:10-15混合气体保护下，按顺序依次将金属Mg锭，Zn粒，Ca粒，Ag粒加入到钽坩埚中，电阻炉中温度为770℃，每添加一种原料，搅拌10-30分钟，其特征在于：

(1) 所有原料都添加完后，再充分搅拌20-50 分钟，停止加热，在700℃浇注到在600 ℃下预热的钢模中，将上述钢模在电阻炉中保温30-60分钟，然后将钢模用水冷却至室温，得到本发明的医用材料合金锭；

(2) 将上述合金锭在200-400℃预热30分钟，在六氟化硫和氩气混合气体保护下锻打；锻打量为10-30%，锻打后，在40-60℃热水中冷却，然后在400 ℃预热30分钟，反向挤压成型，挤压速率为20-60 mm/min，得到本发明的可降解镁基骨科植入生物医用材料的骨部植入件。

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