CN103014465B

CN103014465B - 一种均匀降解的骨科植入镁合金材料

Info

Publication number: CN103014465B
Application number: CN201210550633.0A
Authority: CN
Inventors: 王强; 章晓波; 王章忠; 巴志新
Original assignee: JIANGSU KONSUNG MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd; Nanjing Institute of Technology
Current assignee: JIANGSU KONSUNG MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd; Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103014465A

Abstract

本发明涉及一种医用合金材料，特别涉及一种均匀降解的骨科植入镁合金材料，其各组分及重量百分比含量为：Gd0～5%，Nd1～5%，Sr0～2%且不包括0，Zn0～0.5%，Zr0～1%且不包括0，其余为Mg。本发明的镁合金元素，Gd和Nd的加入提高镁合金的强度与耐蚀性能。此外，少量的Gd和Nd均具有较好的生物安全性；Sr具有诱导成骨细胞生长的作用；Zn是人体必须的微量营养元素，Zn的加入可提高合金延伸率和耐腐蚀性；Zr具有细化晶粒，提高合金的强度和耐蚀性的作用，并可使镁的降解速度更均匀，少量添加无细胞毒性。

Description

一种均匀降解的骨科植入镁合金材料

技术领域

本发明涉及一种可降解生物医用合金材料，特别涉及一种适合作为骨科植入的具有均匀降解特性和诱导骨细胞生长的镁合金材料。

背景技术

目前临床应用的骨科植入材料主要是不锈钢和钛合金材料。但是不锈钢和钛合金都是生物惰性材料，在体内不可降解，并容易产生可溶性离子，易引起生物毒性、局部过敏或炎症；骨愈合后需要二次手术将植入材料取出，增加了患者的痛苦、心理和经济负担。另外，不锈钢和钛合金的弹性模量远远高于人骨的弹性模量，对局部骨组织产生很大的“应力遮挡”效应，可能导致自然骨功能退化甚至萎缩的可能。

镁合金具有良好的力学相容性，比重小，其密度约1.738g/cm³，与人骨密度（约1.75g/cm³）非常接近。是目前所有金属材料中生物力学性能与人体骨最接近的金属材料。镁合金的弹性模量约为45GPa，约是临床用钛合金的1/2，临床用不锈钢的1/4-1/5，而镁合金的弹性模量与人体骨弹性模量是最接近的，能有效降低“应力遮挡”效应，促进骨的愈合。镁是人体内重要的营养元素之一，是人体内第4位金属元素、细胞内仅次于K⁺的第2位的阳离子。此外，由于镁的标准电极电位较低，在人体环境中可降解，同时镁合金具有较高的屈服强度，因此，镁合金可以承受较大的载荷，可应用于骨科固定材料。

目前，镁合金作为生物可降解医用材料，受到了国内外材料、医学等科研工作者的关注，并由最初的商用镁合金为研究对象到现在致力于开发新型生物医用镁合金。然而，由于镁的降解速率过快、局部降解不均匀、骨诱导能力不良等问题，目前镁合金尚不能满足临床要求。因此，必须开发低降解速率、均匀降解且具有诱导骨细胞生长的骨科植入生物镁合金材料。

发明内容

本发明的目的是针对当前可降解镁合金作为骨科植入材料在降解性能、骨诱导能力等方面存在的不足，提供一种均匀降解的骨科植入多元镁合金，该材料具有理想的均匀降解性能，良好的诱导骨细胞生长的性能，适于可降解的骨科植入材料。

本发明的目的是这样实现的，一种均匀降解的骨科植入镁合金材料，其各组分及重量百分比含量为：Gd0 ~5%，Nd1~5%、Sr0~2%且不包括0，Zn 0~0.5%，Zr0~1%且不包括0，其余为Mg。

本发明的镁合金元素，Gd和Nd的加入提高镁合金的强度与耐蚀性能。此外，少量的Gd和Nd均具有较好的生物安全性；Sr具有诱导成骨细胞生长的作用；Zn是人体必须的微量营养元素，Zn的加入可提高合金延伸率和耐腐蚀性；Zr具有细化晶粒，提高合金的强度和耐蚀性的作用，并可使镁的降解速度更均匀，少量添加无细胞毒性。

因此采用本发明的有益效果是：

（1）本发明的镁合金具有理想的体内降解性能，且是均匀降解，避免因局部降解过快导致植入材料过早失效，达到了生物可降解材料的理想支撑效果。

（2）在成分设计上选取的合金化和微合金化元素在所提出的成分范围内均是无细胞毒性的，尤其是Sr的加入，具有诱导成骨细胞生长的作用。

（3）本发明的镁合金具有良好的综合力学性能。其最高抗拉强度可达400 MPa，延伸率可达38%，年降解速率低于0.40 mm/year。

具体实施方式

下面对本发明结合具体实施例进行详细说明。

实施例1

采用重力铸造方法制备Mg-Gd-Nd-Sr-Zn-Zr镁合金铸锭，其各组分及重量百分比含量为Gd 1%，Nd2%，Sr0.1%，Zn0.1，Zr0.5，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Zn的纯度为99.999％，Gd、Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Gd、Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，它们的纯度均超过99.95%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.25 mm/year，并且降解均匀。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10 h）和挤压变形加工（挤压温度270 ℃，挤压比9，压杆的挤压速度2 mm/min）后，其室温抗拉强度可达410 Mpa，延伸率为9%。

实施例2

采用重力铸造方法制备Mg-Gd-Nd-Sr-Zn-Zr镁合金铸锭，其各组分及重量百分比含量为Gd0.5%，Nd1.5%，Sr0.5%，Zn0.2，Zr0.3，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Zn的纯度为99.999％，Gd、Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Gd、Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，纯度大于99.95%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.28 mm/year，降解均匀。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10h）和挤压变形加工（挤压温度380℃，挤压比9，压杆的挤压速度8 mm/min）后，其室温抗拉强度可达280Mpa，延伸率为20%。

实施例3

采用重力铸造方法制备Mg-Nd-Sr-Zn-Zr镁合金铸锭，其各组分及重量百分比含量为Nd5%，Sr2%，Zn0.3，Zr1，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Zn的纯度为99.999％，Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，纯度大于99.95%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.35 mm/year，降解均匀。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10h）和挤压变形加工（挤压温度320℃，挤压比9，压杆的挤压速度8 mm/min）后，其室温抗拉强度可达300Mpa，延伸率为28%。

实施例4

采用重力铸造方法制备Mg-Gd-Nd-Sr-Zn-Zr镁合金铸锭，其各组分及重量百分比含量为Gd5%, Nd1%，Sr1%，Zn0.5，Zr0.8，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Zn的纯度为99.999％，Gd、Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Gd、Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，纯度大于99.95%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.36mm/year，降解均匀。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10h）和挤压变形加工（挤压温度300℃，挤压比9，压杆的挤压速度8 mm/min）后，其室温抗拉强度可达360Mpa，延伸率为22%。

实施例5

采用重力铸造方法制备Mg-Gd-Nd-Sr-Zr镁合金铸锭，其各组分及重量百分比含量为Gd2%, Nd3%，Sr0.3%，Zr0.4，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Gd、Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Gd、Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，纯度大于99.95%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.32mm/year，降解均匀。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10h）和挤压变形加工（挤压温度300℃，挤压比9，压杆的挤压速度8 mm/min）后，其室温抗拉强度可达280Mpa，延伸率为30%。

实施例6

采用重力铸造方法制备出Mg-Nd-Sr-Zr镁合金铸锭。其各组分及重量百分比含量为Nd3%，Sr0.1%，Zr0.4，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，它们的纯度均超过99.95%。将合金进行固溶处理（540 ℃，10 h）后进行挤压变形加工（挤压温度350 ℃，挤压比9，压杆的挤压速度10 mm/min）。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.37 mm/year，且是均匀降解。该挤压态合金室温抗拉强度260 Mpa，延伸率为38%，细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。

实施例7

采用重力铸造方法制备出Mg-Nd-Sr-Zr镁合金铸锭。其各组分及重量百分比含量为Nd3%，Sr0.3%，Zr0.5，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，它们的纯度均超过99.95%。将合金进行均匀化处理（500 ℃，10 h）后进行挤压变形加工（挤压温度300 ℃，挤压比9，压杆的挤压速度5 mm/min）。该挤压态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.40 mm/year，且是均匀降解。该挤压态合金室温抗拉强度330 Mpa，延伸率为24%，细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。

实施例8

采用重力铸造方法制备出Mg-Gd-Nd-Sr-Zr镁合金铸锭。其各组分及重量百分比含量为Gd1.5%,Nd1.5%，Sr0.1%，Zr0.3，其余为Mg。原料中镁的纯度为99.95％，Gd、Nd、Sr和Zr的加入分别以Mg-30%Gd、Mg-30%Nd、Mg-25%Sr和Mg-30%Zr二元中间合金的形式加入，它们的纯度均超过99.95%。对该合金进行固溶处理（540 ℃，10 h）和挤压变形加工（挤压温度300 ℃，挤压比18，压杆的挤压速度3 mm/min）后，其室温抗拉强度为380 Mpa，延伸率为26%。该铸态合金在含有葡萄糖的模拟体液中的降解速率为0.29 mm/year，且是均匀降解。细胞毒性结果显示该合金对成骨细胞无细胞毒性。

本发明并不局限于上述实施例，凡是在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护的范围内。

Claims

1.一种均匀降解的骨科植入镁合金材料，其特征在于，其各组分及重量百分比含量为：Gd 1%，Nd 2%，Sr 0.1%，Zn 0.1%，Zr 0.5%，其余为Mg。

2.一种均匀降解的骨科植入镁合金材料，其特征在于，其各组分及重量百分比含量为：Gd1.5%，Nd1.5%， Sr0.1% ， Zr0.3%，其余为Mg。