CN104623739B - 一种涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种涂层镁合金骨钉、骨板及松质骨螺钉，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 和添加元素组成，添加元素为Zr、Sr、Ca和Ag中的一种、两种或三种，各组分的质量百分比是：Zn为3%、Zr为0.2‑1.0%、Sr为0‑1.0%、Ca为0‑1.0%、Ag为0.0‑1.0%、Mg为余量。本发明的优点是：该镁合金骨钉、骨板及松质骨螺钉经综合处理后，具有合理的降解速率以及生物体内促进新骨生长的能力和良好的生物相容性；特别是通过氢氟酸和钙、磷化合物混合水溶液处理后，可通过表面氟化物和氟磷灰石层的厚度调控腐蚀速率，满足骨折内固定前3个月对骨钉、骨板或松质骨螺钉坚强固定时间的要求。

Description

一种涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种骨折内固定用可降解吸收镁合金产品的加工、处理工艺，特别是一种涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉及其制备方法。

背景技术

镁合金以其独特且优良的物理化学性能在可降解的医用植入材料领域有着巨大的应用前景。与其它医用金属相比，镁合金的弹性模量约为40GPa，只为人骨弹性模量的2-3倍，远低于现有的不锈钢和钛合金等金属。因此，镁合金植入后将大大降低应力遮挡效应，与骨组织有着良好的力学相容性。镁合金的独特之处还在于其可降解的特性，镁合金在人体内因腐蚀而产生Mg²⁺离子，而镁是人体内的常量元素，适度腐蚀降解的镁又可被人体吸收并排出体外，不会产生毒性。此外，镁可促进破骨细胞分化和多种酶的合成，从而加速新生骨组织的生长。显然，镁合金替代不锈钢及钛合金制备骨折内固定用骨钉、骨板及松质骨螺钉初期可以形成坚强固定，且在骨折愈合后可降解并被机体逐步吸收或排出体外，避免二次手术，减轻了病人的身体和经济负担，在临床上有着非常具有巨大的应用前景。

通常，骨钉、骨板及松质骨螺钉至少应在骨折处固定6个月而不失效，且3个月要保证足够的力学性能。因此，镁合金的腐蚀速率应低于0.5mm/yr。但据研究报导，纯镁在模拟体液中的腐蚀降解速率约为0.2-1mm/yr，镁合金的腐蚀速率则更高。而纯镁的强度和硬度太低，均不能满足骨折内固定材料的临床使用要求。表面改性是提高镁合金耐蚀性最为有效的手段 。目前国内外常用的镁及镁合金表面处理的方法有电化学镀层法、化学转化膜法、微弧氧化法、仿生化学法等。Song等在AZ91D合金表面电沉积羟基磷灰石，其腐蚀速率也明显降低, 有效保护镁合金在植入初期不发生腐蚀降解，使降解周期加长。K.Y.Chiu等将纯镁浸泡在高浓度HF酸水溶液中24h，其表面生成了古铜色的涂层。涂层均匀致密，厚度约为1.5μm左右，主要成分是MgF₂和少量Mg(OH)₂。经过电化学测试表明，经过氟化处理后的试样在Hanks溶液中阻抗由纯镁的0.18KΩ增加到5.2KΩ，而极化电流由400μA/cm²降低到10μA/cm²，说明MgF₂涂层显著的提高了基体的耐腐蚀性。由于MgF₂Jiao 等采用仿生矿化法在镁合金表面制备Ca-P涂层有效的缓解了镁基体的快速降解，通过过饱和溶液的 Ca/P 比及氯离子溶液，可以控制钙磷涂层的形貌和结构。

综合国内外的研究现状，目前将Mg-3wt%Zn-M(M= Zr 、Sr、Ca、Ag)合金用于骨钉、骨板和松质骨螺钉的加工，并对其进行HF酸水溶液和Ca、P溶液两步处理获得氟磷灰石涂层的方法和工艺尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对目前骨折内固定器材的不足，提供一种涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉及其制备方法，该方法使制备的镁合金骨钉、骨板及松质骨螺钉具有适宜的降解速率和优异的生物相容性，满足骨折内固定的临床需求。

本发明的技术方案：

一种涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 和添加元素组成，添加元素为Zr、Sr、Ca和Ag中的一种、两种或三种，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.2-1.0%、Sr为0-1.0%、Ca为0-1.0%、Ag为0.0-1.0%、Mg为余量。

一种所述涂层镁合金骨钉、骨板和松质骨螺钉及其制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和添加元素与镁的中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至710-780℃并保温10-20分钟，再以2-10r/s的速度充分搅拌2-10min后开始降温，温度降至650-700℃后浇入结晶器，得到直径为50-70mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在250-350℃温度下均匀化退火24-48h后，再升温至480-550℃固溶1-8h，然后在200-400℃温度下进行热挤压，挤压比20-60，得到镁合金型材，挤压态合金的拉伸屈服强度>240MPa、抗拉强度>300MPa、伸长率>18%；

3）将上述镁合金型材通过机加工制得镁合金骨钉、骨板或松质骨螺钉，然后在150-200℃温度下时效处理12-36h；

4）将上述时效处理后的镁合金骨钉、骨板或松质骨螺钉浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为10-40wt%、温度为10-70℃、浸泡时间为0.5-72h；

5）将上述酸处理后的镁合金骨钉、骨板或松质骨螺钉浸于钙盐和磷酸盐混合水溶液中进行表面沉积处理，混合水溶液中Ca²⁺和PO₄ ^3-离子浓度均为0.05 -1mol/L，处理温度为60-100℃，处理时间为5-180min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板及松质骨螺钉。

所述钙盐为硝酸钙、氯化钙和乙酸钙中的一种或两种以上任意比例的混合物；磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸三钠、磷酸钾和磷酸铵中的一种或两种以上任意比例的混合物。

本发明的优点和有益效果是：

该镁合金骨钉、骨板及松质骨螺钉经热处理和表面生物活性化综合处理后，具有合理的降解速率以及生物体内促进新骨生长的能力和良好的生物相容性；特别是通过氢氟酸及钙盐和磷酸盐混合水溶液处理后，可通过表面氟化物与氟磷灰石层的厚度调控骨钉、骨板及松质骨螺钉的腐蚀速率，使其降解速率与新骨的生长速率相匹配，满足骨折内固定前3个月对骨钉、骨板或松质骨螺钉坚强固定时间的要求。

附图说明

图1为实验镁合金加工的可降解骨钉和骨板。

图2为实验镁合金加工的可降解松质骨螺钉。

图3为20%氢氟酸酸，37℃处理后镁合金表面形貌。

图4为Ca²⁺和HPO₄ ^2-离子浓度0.5mol/L水溶液，在90℃处理后镁合金表面形貌。

图5为表面氟磷灰石处理镁合金松质骨螺钉。

具体实施方式

实施例1：

一种涂层镁合金骨钉、骨板，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%，Mg为余量。

所述涂层镁合金骨钉、骨板的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h后，再升温至510℃固溶2h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，矩形截面出口模具挤压板材、圆形截面出口模具挤压棒材，挤压比40，得到镁合金型材，挤压态合金的拉伸屈服强度为240MPa、抗拉强度为305MPa、伸长率为23.5%；

3）将上述镁合金板材机加工成骨板，棒材机加工成与骨板相匹配的骨钉，如图1所示，然后将制得的镁合金骨钉、骨板，在160℃温度下时效处理24h；

4）将上述时效处理后的镁合金骨钉、骨板浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为6h，其表面形貌如图3所示；

5）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500mL去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金骨钉、骨板浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为50min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的骨板和骨钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为15μm，Ca-P沉积层厚度约为60μm，且与基体结合良好。

实施例2：

一种涂层镁合金松质骨螺钉，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%，Mg为余量。

所述涂层镁合金松质骨螺钉的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h，再升温至510℃固溶2h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，挤压比48，得到镁合金棒材，挤压态合金的拉伸屈服强度为250MPa、抗拉强度为325MPa、伸长率为21.5%；

4）将上述镁合金棒材机加工成成松质骨螺钉，如图2所示，然后将制得的镁合金松质骨螺钉，在160℃温度下时效处理24h；

5）将上述时效处理后的镁合金松质骨螺钉浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为4h，其表面形貌如图3所示；

6）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500mL去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金松质骨螺钉浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为40min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的松质骨螺钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为10μm，Ca-P沉积层厚度约为40μm，且与基体结合良好。

实施例3：

一种涂层镁合金骨钉、骨板，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr、Ca组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%、 Ca为0.1% 、 Mg为余量。

所述涂层镁合金骨钉、骨板的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr、Mg-30 wt.%Ca中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h后，再升温至510℃固溶3h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，矩形截面出口模具挤压板材、圆形截面出口模具挤压棒材，挤压比40，得到镁合金型材，挤压态合金的拉伸屈服强度为258MPa、抗拉强度为315MPa、伸长率为25.5%；

3）将上述镁合金板材机加工成骨板，棒材机加工成与骨板相匹配的骨钉，如图1所示，然后将制得的镁合金骨钉、骨板，在160℃温度下时效处理24h；

4）将上述时效处理后的镁合金骨钉、骨板浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为5h，其表面形貌如图3所示；

5）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500ml去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金骨钉、骨板浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为50min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的骨板和骨钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为15μm，Ca-P沉积层厚度约为60μm，且与基体结合良好。

实施例4：

一种涂层镁合金骨钉、骨板，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr、Ca组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%、 Ca为0.1% 、 Mg为余量。

所述涂层镁合金松质骨螺钉的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr、Mg-30 wt.%Ca中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h后，再升温至510℃固溶3h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，挤压比48，得到镁合金棒，挤压态合金的拉伸屈服强度为265MPa、抗拉强度为345MPa、伸长率为20.5%；

4）将上述镁合金棒材机加工成成松质骨螺钉，如图2所示，然后将制得的镁合金松质骨螺钉，在160℃温度下时效处理24h；

5）将上述时效处理后的镁合金松质骨螺钉浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为4h，其表面形貌如图3所示；

6）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500ml去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金松质骨螺钉浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为40min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的松质骨螺钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为10μm，Ca-P沉积层厚度约为40μm，且与基体结合良好。

实施例5：

一种涂层镁合金骨钉、骨板，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr、Sr组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%、 Sr为0.3% 、 Mg为余量。

所述涂层镁合金骨钉、骨板的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr、Mg-30 wt.% Sr中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h后，再升温至520℃固溶2h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，矩形截面出口模具挤压板材、圆形截面出口模具挤压棒材，挤压比40，得到镁合金板材，挤压态合金的拉伸屈服强度为323MPa、抗拉强度为375MPa、伸长率为18.5%；

4）将上述镁合金板材机加工成骨板，棒材机加工成与骨板相匹配的骨钉，如图1所示，然后将制得的镁合金骨钉、骨板，在160℃温度下时效处理24h；

5）将上述时效处理后的镁合金骨钉、骨板浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为6h，其表面形貌如图3所示；

6）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500ml去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金骨钉、骨板浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为50min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的骨板和骨钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为15μm，Ca-P沉积层厚度约为60μm，且与基体结合良好。

实施例6：

一种涂层镁合金骨钉、骨板，所述镁合金由纯度大于99.99 wt.%的Mg、Zn 、Zr、Sr组成，各组分的质量百分比是： Zn为3%、Zr为0.6%、 Sr为0.3% 、 Mg为余量。

所述涂层镁合金松质骨螺钉的制备方法，步骤如下：

1）将Mg、Zn 和Mg-30 wt.% Zr、Mg-30 wt.% Sr中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至780℃并保温20分钟，再以8r/s的速度充分搅拌8min后开始降温，温度降至650℃后浇入结晶器，得到直径为40mm的圆锭；

2）将上述圆锭置于空气炉中，在300℃温度下均匀化退火36h后，再升温至520℃固溶2h，然后淬入30-50℃温水中；

3）在300℃温度下进行热挤压，挤压比48，得到镁合金棒材，挤压态合金的拉伸屈服强度为338MPa、抗拉强度为382MPa、伸长率为19%；

4）将上述镁合金棒材机加工成成松质骨螺钉，如图2所示，然后将制得的镁合金松质骨螺钉，在160℃温度下时效处理24h；

5）将上述时效处理后的镁合金松质骨螺钉浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为20wt%、温度为37℃、浸泡时间为6h，其表面形貌如图3所示；

6）分别将11.68g Ca(NO₃)₂•4H₂0和3.45g NH₄H₂PO₄溶于500ml去离子水中，用浓度为28wt％的氨水调节溶液pH至5.0；将上述处理后的镁合金松质骨螺钉浸于溶液中进行表面沉积处理，处理温度为90℃，处理时间为50min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉、骨板，其表面形貌如图4所示。

经上述工艺加工处理的松质骨螺钉表面呈灰白色，氢氟酸处理层厚度约为10μm，Ca-P沉积层厚度约为40μm，且与基体结合良好。

Claims (5)

1.一种涂层镁合金骨钉或骨板，其特征在于：所述镁合金由纯度大于99.99wt.％的Mg、Zn和添加元素组成，添加元素为Zr、Sr，各组分质量百分比是Zn为3％、Zr为0.6％、Sr为0.3-1.0％、Mg为余量；

所述涂层镁合金骨钉或骨板的制备步骤如下：

1)将Mg、Zn和添加元素与镁的中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至710-780℃并保温10-20分钟，再以2-10r/s的速度充分搅拌2-10min后开始降温，温度降至650-700℃后浇入结晶器，得到直径为50-70mm的圆锭；

2)将上述圆锭置于空气炉中，在250-350℃温度下均匀化退火24-48h后，再升温至480-550℃固溶1-8h，然后在200-400℃温度下进行热挤压，挤压比20-60，得到镁合金型材，挤压态合金的拉伸屈服强度>240MPa、抗拉强度>300MPa和伸长率>18％；

3)将上述镁合金型材通过机加工制得镁合金骨钉或骨板，然后在150-200℃温度下时效处理12-36h；

4)将上述时效处理后的镁合金骨钉或骨板浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为10-40wt％、温度为10-70℃和浸泡时间为0.5-72h；

5)将上述酸处理后的镁合金骨钉或骨板浸于钙盐和磷酸盐混合水溶液中进行表面沉积处理，混合水溶液中Ca²⁺和PO₄ ^3-离子浓度均为0.05-1mol/L，处理温度为60-100℃，处理时间为5-180min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉或骨板。

2.根据权利要求1所述的涂层镁合金骨钉或骨板，其特征在于所述的涂层镁合金骨钉为松质骨螺钉。

3.一种如权利要求1所述涂层镁合金骨钉或骨板的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)将Mg、Zn和添加元素与镁的中间合金加入石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入氩气保护，加热至710-780℃并保温10-20分钟，再以2-10r/s的速度充分搅拌2-10min后开始降温，温度降至650-700℃后浇入结晶器，得到直径为50-70mm的圆锭；

2)将上述圆锭置于空气炉中，在250-350℃温度下均匀化退火24-48h后，再升温至480-550℃固溶1-8h，然后在200-400℃温度下进行热挤压，挤压比20-60，得到镁合金型材，挤压态合金的拉伸屈服强度>240MPa、抗拉强度>300MPa和伸长率>18％；

3)将上述镁合金型材通过机加工制得镁合金骨钉或骨板，然后在150-200℃温度下时效处理12-36h；

4)将上述时效处理后的镁合金骨钉或骨板浸于氢氟酸水溶液中进行表面处理，氢氟酸浓度为10-40wt％、温度为10-70℃和浸泡时间为0.5-72h；

5)将上述酸处理后的镁合金骨钉或骨板浸于钙盐和磷酸盐混合水溶液中进行表面沉积处理，混合水溶液中Ca²⁺和PO₄ ^3-离子浓度均为0.05-1mol/L，处理温度为60-100℃，处理时间为5-180min，得到带涂层的可降解镁合金骨钉或骨板。

4.根据权利要求3所述涂层镁合金骨钉或骨板的制备方法，其特征在于：所述的涂层镁合金骨钉为松质骨螺钉。

5.根据权利要求3或4所述涂层镁合金骨钉或骨板的制备方法，其特征在于：所述钙盐为硝酸钙、氯化钙和乙酸钙中的一种或两种以上任意比例的混合物；磷酸盐为磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸三钠、磷酸钾和磷酸铵中的一种或两种以上任意比例的混合物。