CN104645422B - 一种具有强烈抗菌功能的生物可降解镁合金 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有强烈抗菌功能的新型生物可降解镁合金。所述合金具备生物可降解的镁基体，保证了合金在体内的降解特性。镁及其合金具有良好的生物相容性及力学性能，保证了镁合金植入的生物安全性。铜为合金中的主要抗菌元素，其含量控制在0.05‑2wt.%（优选为0.1‑1wt.%），以保证所述新型生物可降解镁合金在具有强烈的抗菌性能的同时，具有可控的降解速率及一定的力学性能。通过调整铜含量，可以控制合金的降解速率，实现优异的抗菌效果和良好的周围组织反应。

Description

一种具有强烈抗菌功能的生物可降解镁合金
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，特别适用于医用金属材料领域，具体为一种具有强烈抗菌功能的新型生物可降解镁合金。
背景技术
近年来，镁及其合金以其良好的力学性能、生物相容性和生物可降解特性，受到人们的极大关注，有望成为新一代生物可降解植入材料。镁及其合金具有高的比强度和比刚度；镁的密度在1.74g/cm3左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)相当；镁的杨氏模量约为45GPa，更接近人骨的弹性模量(20GPa左右)，可明显减小金属植入物产生的应力遮挡效应。
镁及其合金在体液环境中非常活泼，易在体内环境中发生腐蚀，从而实现生物降解，可避免二次手术取出植入物给病人带来的痛苦和经济负担。镁基金属作为医用植入材料的研究探索可以追溯到上世纪40年代。90年代起，随着人们对镁合金的不断深入研究，在控制合金的耐蚀性能和力学性能的技术方面得到很大的提高，使其有望真正作为医用植入材料而得到临床应用。大量实验研究显示了镁及其合金的降解及生物安全性。最近，生物可降解镁合金植入器件在欧洲一些国家已经进入临床实验阶段，合金显示出良好的临床修复效果。
医用植入材料植入体内后，在植入物周围易出现细菌感染情况，常常会导致治疗失败，给病人造成极大痛苦。目前增强植入物抗菌性的方法，一是进行植入物材料的表面处理，改变植入物表面的形貌、成分(载入抗菌物质)或物理化学性能，使其表面具有抗细菌粘附增殖的性能；另一种方法是使植入体材料本身具有抗菌性能。对于可降解镁合金，若使之整体材料具有抗菌性，就可使之在植入体内后的降解过程中避免或减少细菌感染，达到更优的医疗效果。
铜(Cu)离子具有强烈的广谱抗菌功能，对于金黄色葡萄球菌(S.aureus)、大肠杆菌(E.coli)等多种细菌都有强烈的杀灭作用。2005年，F.Heidenau等将铜离子加入到钛合金表面的二氧化钛涂层中，体外细菌检测实验表明，含铜的涂层具有明显的杀菌效果。中科院金属研究所的杨柯等人将铜加入到317L不锈钢中，体内外实验均表明含铜不锈钢具有明显的抗菌和抑制细菌生物膜形成的效果。铜是一种人体内必需的微量元素，对人体的代谢和多种酶的功能具有调节作用。人体内出现铜缺乏会导致一系列疾病的发生。还有研究表明，微量铜对骨骼系统的健康具有重要促进作用，软骨病与铜缺乏有关。此外，铜缺乏会加重骨质疏松，而通过饮食补铜会减轻骨质疏松现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有强烈抗菌功能的新型生物可降解镁合金。本发明所述合金在具有良好的生物相容性和体内可降解性基础上，还具有能够杀灭或抑制合金植入物周围细菌的特点，从而避免或减少植入物周围组织的感染发生，进一步提高镁合金植入物的医疗效果。
本发明具体提供了一种具有抗菌功能的新型生物可降解镁合金，所述合金具备生物可降解的镁基体，保证了合金在体内的降解特性。镁及其合金具有良好的生物相容性及力学性能，保证了镁合金植入的生物安全性。铜为合金中的主要抗菌元素，其含量控制在0.05-2wt.％(优选为0.1-1wt.％)，以保证所述新型生物可降解镁合金在具有强烈的抗菌性能的同时，具有可控的降解速率及一定的力学性能。通过调整铜含量，可以控制合金的降解速率，实现优异的抗菌效果和良好的周围组织反应。
本发明所述新型生物可降解镁合金中有少量的铜元素固溶于镁基体中，大多数铜存在于镁铜析出相中。所述新型生物可降解镁合金在降解过程中会同时释放镁离子和适量铜离子，一定量的镁离子会有助于人体代谢及与周围组织的生物学反应，并通过尿液等途径代谢到体外。适量铜离子的释放在达到抗菌效果的同时，有助于为人体补充铜离子，改善铜离子缺乏引起的不良症状。
本发明所述镁合金具有可在体内环境中降解的优势，且在满足生物安全性的前提下，合金的抗菌性能得到显著提高，从而降低可降解镁合金植入器件在临床使用中周围组织的感染率，提高可降解镁合金植入器件的医疗功效。该合金可广泛应用于骨科、口腔科、心血管支架等医学临床领域中使用的各类外科植入用医疗器械。
本发明的创新点及有益效果在于：
1.本发明提出一种具有强烈抗菌作用的新型生物可降解镁合金植入材料。该材料本身具有生物可降解特性，能够避免不可降解植入材料需二次手术取出及其在体内磨损导致的后期炎症等问题发生。同时新型材料具有强烈的抗菌性能，有效降低材料植入后对周围组织引发的细菌感染率。
2.本发明提供了一种可持续释放铜离子的体内植入材料。所述新型生物可降解镁合金在体内的降解过程中，可向周围持续地释放适量铜离子。铜离子为对人体有益的微量元素，特别是对骨骼健康具有重要作用。在体内适量的铜离子释放，可为骨骼系统补充铜元素，并且可以防治由于铜离子缺乏引起的一些疾病。
具体实施方式
实施例
实施例1-9镁合金的化学成分见表1。
所有实施例中含铜镁合金的制备工艺为：将镁在感应炉内加热熔融，温度升至750℃，在氮气保护下加入适量的铜，在780℃下保温30分钟，最终制备出Mg-Cu合金。在保温过程中，在氮气保护下持续搅拌熔融合金。室温下浇铸。
表1实施例的镁合金化学成分设计(wt.％)
1、体外抗菌性能检测
根据“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定，定量测试了表1所示成分的镁合金对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率。体外抗菌性能检测结果见表2，其中杀菌率的计算公式为：杀菌率(％)＝[(对照样品活菌数-镁合金活菌数)/对照样品活菌数]×100，对照样品活菌数是在对照样品(对照样品为培养基)上进行细菌培养后的活菌数，镁合金活菌数是指在镁合金上进行细菌培养后的活菌数。
2、生物安全性评价
根据国标GBT16886.5-2003医疗器械生物学评价，对实施例镁合金对L929(小鼠成纤维细胞)的细胞毒性进行了评价，结果见表2。
表2实施例镁合金的性能测试结果
3、结果讨论
铜含量为0.01wt.％时，合金虽然满足生物安全性要求，但合金的杀菌效果还没有达到最高值。铜含量为5wt.％时，合金虽然有强烈的抗菌效果，但其生物安全性下降。铜含量在0.05-2wt.％范围内的镁铜合金兼具优良的抗菌性能和生物安全性。其中铜含量在0.1-1％范围内具有最优的抗菌性能和生物安全性，为所述新型生物可降解镁合金的最佳成分配比。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有强烈抗菌功能的生物可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金的化学成分为Cu：0.075％，余量为纯镁。
2.一种如权利要求1所述具有强烈抗菌功能的生物可降解镁合金在制备外科植入用医疗器械方面的应用。
3.按照权利要求2所述具有强烈抗菌功能的生物可降解镁合金在制备外科植入用医疗器械方面的应用，其特征在于：该合金可用于制备心血管支架以及骨科、口腔科的植入用医疗器械。
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