CN102813966A

CN102813966A - 一种医用可降解镁合金骨固定螺钉

Info

Publication number: CN102813966A
Application number: CN2012103112368A
Authority: CN
Inventors: 李莉; 郑玉峰; 李新林; 李珍; 侯理达; 刘西伟
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2012-12-12

Abstract

一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，它涉及一种骨固定螺钉。本发明要解决现有骨固定螺钉不能降解的技术问题。本发明医用可降解镁合金骨固定螺钉由可降解镁合金组成。本发明的医用可降解镁合金骨固定螺钉，生物相容性好，组织反应少，具有良好的金属力学性能；在体内可被吸收，无需再次手术取除，减轻创伤，减少感染率，节省费用；无金属刺激反应，其降解避免了金属的应力遮挡现象，减少了术后骨质疏松的危险。在植入人体后可以完全生物降解，最终生成无害的小分子，排出体外或被机体吸收，减少人体对植入物的排斥反应，无需再次手术取除，减轻创伤，可获得更好的治疗效果。本发明应用于医用领域。

Description

一种医用可降解镁合金骨固定螺钉

技术领域

本发明涉及一种骨固定螺钉。

背景技术

在外科临床中，对骨折和骨修复等疾病的治疗多采用骨移植、关节融合、关节固定、矫形等手术，手术中通常采用固定的方法。目前，应用于临床骨折内固定多采用金属固定螺钉（不锈钢材料、钛合金材料等），此类金属固定螺钉具有较高的力学性能，但是由于不可降解，不能被人体吸收，在患者骨折愈合后需要进行二次手术取出固定物，增加患者的二次痛苦和经济负担。专利00134945.7中鲍侃等发明的一种内固定骨钉，具有较好的固定效果；专利02206086.3中发明者林志雄对骨钉结构进行了改进，适合采用机械性能较差的材料或脆性材料，但是他们所述骨钉材料均为不可降解材料，断骨愈合后需二次手术取出。专利200420122210.X中的实用新型涉及一种医用骨内止退骨钉，在螺杆前端带有切削刃的止退段，可以有效防止骨钉松动、脱落；专利200720178244.4中公开了一种新型骨钉，适合骨质疏松患者，可以强化骨组织，提高骨钉与骨组织的结合强度，但其在选材上也均未涉及可降解材料。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有骨固定螺钉不能降解的技术问题，而提供了一种医用可降解镁合金骨固定螺钉。

本发明的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金。

所述可降解镁合金由Mg-Ca系合金、Mg-Sn-Mn系镁合金或Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金组成。

所述Mg-Ca系合金中Ca的重量百分含量为1%-30%。所述Mg-Sn-Mn系镁合金中Sn的重量百分含量为1-3%，Mn的重量百分含量为0.15-1.0%，余量为Mg。所述Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金Sn的重量百分含量为1-5%，Mn的重量百分含量为0.15-1.5%，Zn的重量百分含量为0.5%-3%，余量为Mg。

所述Mg-Sn-Mn系镁合金中单一杂质元素的允许范围为≤0.002%，全部杂质元素的允许范围为≤0.044%，此范围内的杂质对Mg-Sn-Mn系镁合金的性能没有影响。

所述Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金中单一杂质元素的允许范围为≤0.002%，全部杂质元素的允许范围为≤0.009%，此范围内的杂质对Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金的性能没有影响。

本发明的有益效果为：

1）镁是地球上储量最为丰富的金属元素之一，也是人体内含量最丰富的阳离子之一，是人体不可或缺的重要营养元素，镁合金作为一种新型的生物医用材料具有良好的医学安全基础，同时具有以下医用优势：1）Mg的弹性模量和屈服强度与人骨的弹性模量和屈服强度更接近，密度也与人骨也极为相近，能够有效地避免应力遮挡效应；2）镁合金是人体新陈代谢和骨组织中的基本元素，具有更好的生物相容性；3）镁具有非常低的平衡电极电位，特别是在含有Cl的溶液中易被腐蚀而降解，如果作为植入材料，可以避免二次手术。此外镁合金在降解过程中，其机械性能的逐渐降低能够与新骨生成形成良好的配合。可降解镁合金材料骨固定螺钉，生物相容性好，组织反应少，具有良好的金属力学性能；可降解螺钉强度远大于松质骨，弹性模量与骨接近，可满足松质骨骨折固定的安全与稳定性；在体内可被吸收，无需再次手术取除，减轻创伤，减少感染率，节省费用；无金属刺激反应，其降解避免了金属的应力遮挡现象，减少了术后骨质疏松的危险；因此可降解镁合金螺钉是治疗骨折的理想材料。

2）本发明骨固定螺钉中选用的锌元素能参与碱性磷酸酶、碳酸酐酶等多种人类重要酶的酶活性部位的构成，在金属酶中具有催化、结构和调节的功能；锌能增强人体的免疫功能，维持机体的生长和发育；锌能维持血管内皮细胞膜的屏障功能。锌在镁合金中的固溶度为6.2%，对镁合金有固溶强化的作用。是除铝以外的另一种非常有效的合金化元素。此外，锌含量在2%以下时能使镁合金的局部腐蚀倾向变小，从而有效提高镁合金的耐腐蚀性能。

3）本发明骨固定螺钉中选用的锡元素的毒性极小，动物经口摄入大剂量金属锡，未发现特殊毒性。一个70kg体重的成年人每天约需要7.0mg的锡；从镁合金的力学性能角度来看，锡是典型沉淀强化元素，能提高镁合金的室温塑性和强度。此外，金属锡的致密系数为1.31，有助于合金表面形成钝化膜，提高镁合金的耐蚀性。

4）本发明骨固定螺钉中选用的锰元素是对心血管有利的元素，尤其是对维护细胞线粒体功能十分重要。并可促进骨骼生长发育，保持正常的脑功能，还能维持正常的糖、脂肪代谢，改善机体的造血功能。锰还能增强内分泌功能，维持甲状腺的正常功能，促进性激素的合成，调节神经反应能力；虽然锰对镁合金的力学性能影响不大，甚至可能会稍微降低镁合金的塑性，且锰本身对提高镁的耐蚀性并无好处，过量的锰对镁合金的腐蚀甚至还有坏处。但是锰却可大大地抑制Fe、Cu和Ni等一些杂质元素的不利影响，从而有效提高镁合金的耐腐蚀性能。

5）本发明骨固定螺钉中选用的钙元素约占体重的2%，主要以矿物质形态呈现。身体的钙大多分布在骨骼和牙齿中，约占总量的99%，其余1%分布在血液、细胞间液及软组织中。钙可以维持细胞的正常生理状态细胞内的钙离子是细胞对刺激产生反应的媒介。钙和受体钙等共同调节机体许多重要的生理功能，包括骨骼肌和心肌的收缩，平滑肌及非肌肉细胞活动及神经兴奋的维持。钙还参与血液凝固过程，目前已知至少有4种依赖维生素K的钙结合蛋白参与血液凝固过程，即在钙离子存在下才可能完成级联反应，最后使可溶性纤维蛋白原转变为纤维蛋白，形成凝血。

6）本发明中的镁合金降解产物包括H₂和Mg（OH）₂，当镁合金以适当的速度降解时，H₂会逐渐被机体代谢排出，不会产生鼓包，因而不会对人体产生影响。随着镁合金钉的降解，Mg（OH）₂中的镁离子（Mg²⁺）是人体细胞内第二重要的阳离子，当控制好降解速度，镁合金的降解产物不会对人体产生不良影响。降解产物对人体无害。此外镁还具有多种特殊的生理功能，它能激活体内多种酶，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等。

7）本发明所选用的固定螺钉表面进行高分子聚合物修饰，是用来对镁合金在机体内降解速度进行调控，避免镁合金基体在体内降解过快，促使镁合金在降解过程中，其机械性能的逐渐降低能够与新骨生成形成良好的配合。

本发明医用可降解镁合金骨固定螺钉中螺钉的螺帽采用六边形凹槽形式，在固定强度较大的骨折患处时，若使用一字型或十字型凹槽，容易因受力较大而变形，影响紧固效果。采用六边形凹槽形式，可以旋动螺钉时使的螺帽受力均匀，不易变形。

附图说明

图1为医用可降解镁合金骨固定螺钉示意图；其中，1为螺杆，2为螺纹，3为圆形螺帽，4为六边形凹槽，B为螺钉的作用方向；

图2为医用可降解镁合金骨固定螺钉的圆形螺帽示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金。

本实施方式的有益效果为：

2）本实施方式骨固定螺钉中选用的锌元素能参与碱性磷酸酶、碳酸酐酶等多种人类重要酶的酶活性部位的构成，在金属酶中具有催化、结构和调节的功能；锌能增强人体的免疫功能，维持机体的生长和发育；锌能维持血管内皮细胞膜的屏障功能。锌在镁合金中的固溶度为6.2%，对镁合金有固溶强化的作用。是除铝以外的另一种非常有效的合金化元素。此外，锌含量在2%以下时能使镁合金的局部腐蚀倾向变小，从而有效提高镁合金的耐腐蚀性能。

3）本实施方式骨固定螺钉中选用的锡元素的毒性极小，动物经口摄入大剂量金属锡，未发现特殊毒性。一个70kg体重的成年人每天约需要7.0mg的锡；从镁合金的力学性能角度来看，锡是典型沉淀强化元素，能提高镁合金的室温塑性和强度。此外，金属锡的致密系数为1.31，有助于合金表面形成钝化膜，提高镁合金的耐蚀性。

4）本实施方式骨固定螺钉中选用的锰元素是对心血管有利的元素，尤其是对维护细胞线粒体功能十分重要。并可促进骨骼生长发育，保持正常的脑功能，还能维持正常的糖、脂肪代谢，改善机体的造血功能。锰还能增强内分泌功能，维持甲状腺的正常功能，促进性激素的合成，调节神经反应能力；虽然锰对镁合金的力学性能影响不大，甚至可能会稍微降低镁合金的塑性，且锰本身对提高镁的耐蚀性并无好处，过量的锰对镁合金的腐蚀甚至还有坏处。但是锰却可大大地抑制Fe、Cu和Ni等一些杂质元素的不利影响，从而有效提高镁合金的耐腐蚀性能。

5）本实施方式骨固定螺钉中选用的钙元素约占体重的2%，主要以矿物质形态呈现。身体的钙大多分布在骨骼和牙齿中，约占总量的99%，其余1%分布在血液、细胞间液及软组织中。钙可以维持细胞的正常生理状态细胞内的钙离子是细胞对刺激产生反应的媒介。钙和受体钙等共同调节机体许多重要的生理功能，包括骨骼肌和心肌的收缩，平滑肌及非肌肉细胞活动及神经兴奋的维持。钙还参与血液凝固过程，目前已知至少有4种依赖维生素K的钙结合蛋白参与血液凝固过程，即在钙离子存在下才可能完成级联反应，最后使可溶性纤维蛋白原转变为纤维蛋白，形成凝血。

6）本实施方式中的镁合金降解产物包括H₂和Mg（OH）₂，当镁合金以适当的速度降解时，H₂会逐渐被机体代谢排出，不会产生鼓包，因而不会对人体产生影响。随着镁合金钉的降解，Mg（OH）₂中的镁离子（Mg²⁺）是人体细胞内第二重要的阳离子，当控制好降解速度，镁合金的降解产物不会对人体产生不良影响。降解产物对人体无害。此外镁还具有多种特殊的生理功能，它能激活体内多种酶，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等。

7）本实施方式所选用的固定螺钉表面进行高分子聚合物修饰，是用来对镁合金在机体内降解速度进行调控，避免镁合金基体在体内降解过快，促使镁合金在降解过程中，其机械性能的逐渐降低能够与新骨生成形成良好的配合。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述可降解镁合由Mg-Ca系合金、Mg-Sn-Mn系镁合金或Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金组成。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是所述Mg-Ca系合金中Ca的重量百分含量为1%-30%。其它与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述Mg-Sn-Mn系镁合金中Sn的重量百分含量为1-3%，Mn的重量百分含量为0.15-1.0%，余量为Mg。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是所述Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金中Sn的重量百分含量为1-5%，Mn的重量百分含量为0.15-1.5%，Zn的重量百分含量为0.5%-3%，余量为Mg。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是医用可降解镁合金骨固定螺钉还包括医用可降解镁合金骨固定螺钉表面修饰的高分子聚合物，其中，高分子聚合物采用超生波雾化喷涂技术在骨固定螺钉表面形成均匀的可控降解聚合物涂层，可控降解聚合物涂层厚度为0~100微米。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是所述高分子聚合物为壳聚糖及衍生物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸酯中的一种或几种按任意比混合。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是所述医用可降解镁合金骨固定螺钉包括螺杆、螺纹和圆形螺帽三部分。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述医用可降解镁合金骨固定螺钉在圆形螺帽上以圆心为中心，有一六边形凹槽。其它与具体实施方式一至八之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实验一：

本实验的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金，所述可降解镁合金由Mg-Ca系合金组成，Mg-Ca系合金中Ca的重量百分含量为1%-30%，医用可降解镁合金骨固定螺钉表面附有聚乳酸与酰化壳聚糖共混物的高分子聚合物涂层。

本实施方式的骨固定螺钉表面进行高分子聚合物修饰，用来对镁合金在基体内降解速度进行调控；是采用超生波雾化喷涂技术在融合器表面形成均匀的可控降解聚合物涂层，可根据患者恢复需要设计可控降解聚合物涂层厚度；其中，所述的可控降解聚合物涂层厚度为0~100微米。

将本实验的可降解镁合金骨固定螺钉用于治疗骨折，本发明采用六边形凹槽形式，可以旋动螺钉时使螺帽受力均匀，不易变形，生物相容性好，组织反应少，具有良好的金属力学性能；可降解螺钉强度远大于松质骨，弹性模量与骨接近，可满足松质骨骨折固定的安全与稳定性；在体内可被吸收，无需再次手术取除，减轻创伤，减少感染率，节省费用；无金属刺激反应，其降解避免了金属的应力遮挡现象，减少了术后骨质疏松的危险；因此可降解镁合金螺钉是治疗骨折的理想材料。

实验二：

本实验的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金，所述可降解镁合金由Mg-Sn-Mn系镁合金组成，Mg-Sn-Mn系镁合金中Sn的重量百分含量为3%，Mn的重量百分含量为1.0%，余量为Mg，

医用可降解镁合金骨固定螺钉表面附有聚乳酸与酰化壳聚糖共混物的高分子聚合物涂层。

将本实验的可降解镁合金骨固定螺钉用于治疗骨折，本发明采用六边形凹槽形式，可以旋动螺钉时使的螺帽受力均匀，不易变形，生物相容性好，组织反应少，具有良好的金属力学性能；可降解螺钉强度远大于松质骨，弹性模量与骨接近，可满足松质骨骨折固定的安全与稳定性；在体内可被吸收，无需再次手术取除，减轻创伤，减少感染率，节省费用；无金属刺激反应，其降解避免了金属的应力遮挡现象，减少了术后骨质疏松的危险；因此可降解镁合金螺钉是治疗骨折的理想材料。

实验三：

本实验的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金，所述可降解镁合金由Mg-Sn-Mn系镁合金组成，Mg-Sn-Mn系镁合金中Sn的重量百分含量为5%，Mn的重量百分含量为01.5%，Zn的重量百分含量为3%，余量为Mg，医用可降解镁合金骨固定螺钉表面附有聚乳酸与酰化壳聚糖共混物的高分子聚合物涂层。

实验一至三的医用可降解镁合金骨固定螺钉参见图1，其中1螺杆2为螺纹，3为圆形螺帽，4为螺帽上六边形凹槽。螺钉采用可降解镁合金材料制成，利用机械加工方法将圆柱型镁合金棒材加工成钉子状，在螺杆1上刻制外螺纹2，圆形螺帽3上切削六边形凹槽4，螺杆和螺帽为一整体，增加了整体强度。

实验一至三的医用可降解镁合金骨固定螺钉的螺帽参见图2所示，在圆形螺帽5上以圆心为中心，有一六边形凹槽6，可以在旋动螺钉时使的螺帽受力均匀，凹槽不易变形。

对于本发明装置，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于医用可降解镁合金骨固定螺钉包括可降解镁合金。

2.根据权利要求1所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述可降解镁合金由Mg-Ca系合金、Mg-Sn-Mn系镁合金或Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述Mg-Ca系合金中Ca的重量百分含量为1%~30%。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述Mg-Sn-Mn系镁合金中Sn的重量百分含量为1%~3%，Mn的重量百分含量为0.15%~1.0%，余量为Mg。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述Mg-Sn-Mn-Zn系镁合金Sn的重量百分含量为1%~5%，Mn的重量百分含量为0.15~1.5%，Zn的重量百分含量为0.5%~3%，余量为Mg。

6.根据权利要求1所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于医用可降解镁合金骨固定螺钉还包括医用可降解镁合金骨固定螺钉表面修饰的高分子聚合物，其中，高分子聚合物采用超生波雾化喷涂技术在骨固定螺钉表面形成均匀的可控降解聚合物涂层，可控降解聚合物涂层厚度为0~100微米。

7.根据权利要求1或6所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述高分子聚合物为壳聚糖及衍生物、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚乳酸、聚羟基乙酸酯中的一种或几种按任意比混合。

8.根据权利要求1所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述医用可降解镁合金骨固定螺钉包括螺杆、螺纹和圆形螺帽三部分。

9.根据权利要求1或8所述的一种医用可降解镁合金骨固定螺钉，其特征在于所述医用可降解镁合金骨固定螺钉在圆形螺帽上以圆心为中心，有一六边形凹槽。