CN109161750A - 一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金，其特征在于：该镁合金的化学成分如下(重量％)：Ga：0.2‑4.0％；其余为Mg元素及其他不可避免的杂质。通过在纯镁基体中添加适量的Ga元素，调整相应的热处理制度，能够在镁合金基体中析出Mg5Ga2、Mg2Ga等中间相，该中间相在提高材料力学性能的同时，也赋予材料优异的抗菌功能。此外，该合金还具有良好的生物相容性，促进新骨生成等生物医学功能，是一种具有优异综合性能的多功能医用可降解镁合金材料，能够有效降低植入部位的感染发生概率，提高骨整合能力，在骨科内植入等医疗领域具有重要的应用价值。

Description

一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金及制备方法
技术领域
本发明涉及医用合金领域，具体提供一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金。通过在纯镁中添加适量的Ga元素及Cu元素，不仅能够提高材料的力学性能，同样能够赋予材料优异的抗菌功能。
背景技术
医用镁合金由于具有良好的力学性能和生物相容性，有望在骨折固定等临时性骨植入器械中得到广泛应用，并且由于其特殊的可降解特性，可避免二次手术带来的医疗风险和病人痛苦及经济负担。另外，利用镁合金降解中的促进成骨作用，医用镁合金还有望在骨填充修复治疗中得到应用。在国际上，目前在德国和韩国各有一家公司分别获得了可降解镁合金骨钉产品的CE认证和KFDA认证。在国内，至少有2家公司开发的镁合金骨固定产品批准进入临床试验。我国目前也有多家研究机构和大学与多家医院合作开发镁合金骨内植入器械产品。
然而，镁合金作为一种医疗器械在使用过程中，存在手术部位细菌感染的问题，并且由医疗器械所引发的局部细菌感染是目前最常见的并发症之一，植入医疗器械的应用会进一步增加术后感染的发生。术后感染不仅导致较差的功能恢复，而且延长患者住院时间，患者还需经历再次手术取出植入医疗器械并清除病灶，给患者带来沉重的经济负担和精神压力。世界卫生组织的统计数据显示，每天全世界有超过1400万人经历着院内感染的风险，其中60％的细菌感染与使用的医疗器械相关。现阶段愈发严重的细菌感染问题不仅给患者带来了巨大的身心痛苦和沉重的经济负担，也会对医院和社会等造成不同程度的负面影响。
因此，本发明研究开发了一种新型的具备优异抗细菌感染的生物医用可降解镁合金，创新性地提出了在纯镁的基础上添加Ga元素，通过相应的热处理，不仅能够提高材料的力学性能，同样也赋予材料优异的抗细菌感染功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金，通过在纯镁基体中添加适量的Ga元素及Cu元素，在提高材料力学性能的同时，也赋予材料优异的抗菌功能。该合金可广泛应用于骨科等临床领域中，能够进一步显著地降低现有植入物使用中引发的细菌感染风险。
本发明的技术方案是：
一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金的化学成分如下：Ga：0.5-4.0％(优选为1.5-3.0％)；其余为Mg元素及其他不可避免的杂质。
所述的生物医用可降解镁合金，按重量百分比计，Ga元素的含量范围较佳为：Ga：；其余为Mg元素及其他不可避免的杂质。
所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金中还可添加Cu元素，其含量为0.1-1.0％。
作为优选范围，按重量百分比计，该镁合金中的Cu元素含量为0.2-0.6％，且Cu元素与Ga元素的总添加量小于4.0％。
本发明中镁合金的制备方法如下：
(1)按比例称取原材料纯镁和纯镓(添加Cu元素时，采用镁铜中间合金)，其中镁的纯净度大于等于99.9wt％，镓的纯净度大于等于99.9wt％，镁铜合金中Mg元素和Cu元素的重量百分比为7:3；
(2)将纯镁(或纯镁及镁铜中间合金)置于低碳钢坩埚中，在720-740℃电阻炉中加热，直至熔化，之后保温20-30分钟；
(3)将纯镓加入到纯镁(或纯镁及镁铜中间合金)熔体中，并将电阻炉温度升至740-760℃，保温40分钟，保温过程中每隔15分钟使用超声波搅拌器对熔体进行超声波搅拌，共搅拌2-3次；
(4)熔炼结束，将熔体倒入预先烘干的石墨模具中，得到Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金；
整个熔炼过程在CO2和SF6混合保护气体中进行，其中两种气体的体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6。
镁合金的热处理工艺及加工工艺如下：
(1)热处理工艺：将Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金置于真空电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为450-540℃，固溶时间为2-10小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为200-425℃，时效时间为2-4小时。
(2)加工工艺：在时效热处理后立即将Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金放入预先预热的模具中，模具的预热温度为200-300℃，之后对Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金进行挤压变形。
本发明所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：该材料具备良好的生物相容性、优异的抗细菌感染功能及良好的力学性能，细胞毒性评级为0级，合金的抗拉强度为90-200MPa，抗压强度为160-260MPa，在生物体液或血液环境中腐蚀降解，对骨科常见的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有强烈的杀灭作用，能够有效地降低骨科植入后的细菌感染，促进成骨细胞增殖与分化，特别适合作为骨科内植入材料应用。
本发明的优点及有益效果是：
本发明创新性地提出了在纯镁中添加Ga元素的概念，设计出了一种新型的具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金。通过调整Ga元素及Cu元素的添加量以及热处理制度，控制镁合金中Mg5Ga2、Mg2Ga和Mg2Cu等中间相的析出。该合金不仅具备优异的生物相容性，良好的力学性能和耐腐蚀性能，还具备长效优异的抗菌性能以及促进新骨形成功能，具有广阔的临床应用前景。
具体实施方式
以下用实施例对本发明作更一步的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。
下面通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga 0.2％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
镁合金的制备方法具体为：
(1)按所述比例称取原材料纯镁和纯镓，其中镁的纯净度大于等于99.9wt％，镓的纯净度大于等于99.9wt％；
(2)将纯镁置于低碳钢坩埚中，在720-740℃电阻炉中加热，直至纯镁熔化，之后保温20分钟；
(3)将纯镓加入到纯镁熔体中，并将电阻炉温度升至740-760℃，保温40分钟，保温过程中每隔15分钟使用超声波搅拌器对熔体进行超声波搅拌，共搅拌2次；
(4)熔炼结束，将熔体倒入预先烘干的石墨模具中，得到Mg-Ga合金；
整个熔炼过程在CO2和SF6混合保护气体中进行，其中两种气体的体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6。
镁合金的热处理工艺如下：
将实施例合金置于真空电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为490℃，固溶时间为5小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为200℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.15mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为95MPa，抗压强度为165MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为95.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为92.5％。
实施例2
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为0.5％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。原材Mg的纯净度大于等于99.99wt％。在体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6(六氟化硫)的混合保护气氛下进行高洁净度熔炼和浇铸。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为500℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为300℃，时效时间为4小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.2mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为110MPa，抗压强度为180MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为98.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为95.5％。
实施例3
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为1.0％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为450℃，固溶时间为8小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为400℃，时效时间为3小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.25mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为130MPa，抗压强度为200MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.5％。
实施例4
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为1.5％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为530℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为350℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.25mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为150MPa，抗压强度为220MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例5
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为2.0％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为460℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为260℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.3mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为180MPa，抗压强度为260MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例6
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为2.5％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。原材Mg的纯净度大于等于99.99wt％。在体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6(六氟化硫)的混合保护气氛下进行高洁净度熔炼和浇铸，具体制备工艺同实施例1。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.35mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为200MPa，抗压强度为260MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例7
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为3.0％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。原材Mg的纯净度大于等于99.99wt％。在体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6(六氟化硫)的混合保护气氛下进行高洁净度熔炼和浇铸，具体制备工艺同实施例1。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.45mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为180MPa，抗压强度为240MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例8
本实施例中，二元Mg-Ga合金材料的组分及重量百分比为：Ga为4.0％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。原材Mg的纯净度大于等于99.99wt％。在体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6(六氟化硫)的混合保护气氛下进行高洁净度熔炼和浇铸，具体制备工艺同实施例1。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.75mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为160MPa，抗压强度为230MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例9
本实施例中，三元Mg-Ga-Cu合金材料的组分及重量百分比为：Ga为2.0％，Cu为0.1％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的制备工艺为：在熔炼时，将镁铜中间合金和纯镁同时放入坩埚中进行熔炼。其余制备工艺同实施例1。
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为450℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为270℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.45mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为190MPa，抗压强度为265MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例10
本实施例中，三元Mg-Ga-Cu合金材料的组分及重量百分比为：Ga为2.5％，Cu为0.4％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的制备工艺为：在熔炼时，将镁铜中间合金和纯镁同时放入坩埚中进行熔炼。其余制备工艺同实施例1。
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为470℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为260℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为0.50mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为195MPa，抗压强度为275MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
实施例11
本实施例中，三元Mg-Ga-Cu合金材料的组分及重量百分比为：Ga为3.2％，Cu为1.0％，其余为Mg。合金中含有少量铁、镍和铝杂质元素。
制备方法与实施例1的不同之处在于：
镁合金的制备工艺为：在熔炼时，将镁铜中间合金和纯镁同时放入坩埚中进行熔炼。其余制备工艺同实施例1。
镁合金的热处理工艺为：固溶温度为445℃，固溶时间为2小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为270℃，时效时间为2小时。
该材料具备良好的生物相容性，细胞毒性评级为0级，采用失重实验测得该合金的降解速率为1.15mm/年。该合金可在生物体液或血液环境中降解吸收，其抗拉强度为145MPa，抗压强度为215MPa。该合金对大肠杆菌的抗菌率为99.9％，对金黄色葡萄球菌的抗菌率为99.9％。
通过上述实施例可发现，通过调整镁合金中Ga元素和Cu元素的含量，控制热处理制度，能够在镁合金基体中析出Mg5Ga2、Mg2Ga和Mg2Cu等含中间相，该中间相的存在不仅使材料具备优异的力学性能，还赋予材料强烈的杀菌作用。与此同时，需要控制Ga元素及Cu元素的总添加量，当总添加量大于4.0％时，合金虽然具有优异的抗菌性能，但其降解速度迅速提高，影响其应用，如实施例11所示。
此外，该合金还具有良好的生物相容性，促进新骨生成等生物医学功能，是一种具有优异综合性能的多功能医用可降解镁合金材料，能够有效降低植入部位的感染发生概率，提高骨整合能力，在骨科内植入等医疗领域具有重要的应用价值。
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 (10)

1.一种具有抗菌功能的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金的化学成分如下：Ga：0.2-4.0％；其余为Mg元素及其他不可避免的杂质。
2.按照权利要求1所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金的化学成分如下：Ga：1.0-3.0％；其余为Mg元素及其他不可避免的杂质。
3.按照权利要求1所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金中的Cu元素含量为0.1-1.0％。
4.按照权利要求1或3所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：按重量百分比计，该镁合金中的Cu元素含量为0.2-0.6％，且Cu元素与Ga元素的总添加量小于4.0％。
5.按照权利要求1所述的生物医用可降解镁合金，其特征在于：该合金的抗拉强度为90-200MPa，抗压强度为160-260MPa，在生物体液或血液环境中腐蚀降解，能够促进成骨细胞增殖与分化。
6.按照权利要求1所述的生物医用可降解镁合金的制备方法，其特征在于：
(1)按比例称取原材料纯镁和纯镓，其中镁的纯净度大于等于99.9wt％，镓的纯净度大于等于99.9wt％；
(2)将纯镁置于低碳钢坩埚中，在720-740℃电阻炉中加热，直至纯镁熔化，之后保温20-30分钟；
(3)将纯镓加入到纯镁熔体中，并将电阻炉温度升至740-760℃，保温40分钟，保温过程中每隔15分钟使用超声波搅拌器对熔体进行超声波搅拌，共搅拌2-3次；
(4)熔炼结束，将熔体倒入预先烘干的石墨模具中，得到Mg-Ga合金；
整个熔炼过程在CO2和SF6混合保护气体中进行，其中两种气体的体积百分比为98.5-99.5％的CO2和0.5-1.5％的SF6。
7.按照权利要求6所述的生物医用可降解镁合金的制备方法，其特征在于：所述合金中含有Cu元素，Cu元素是以镁铜中间合金的方式加入，其中镁铜中间合金中Mg和Cu的重量比为7:3。
8.按照权利要求1或3所述的生物医用可降解镁合金的热处理方法，其特征在于：制备所得的Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金置于真空电阻炉中进行固溶处理，固溶温度为450-540℃，固溶时间为2-10小时，之后对材料进行时效处理，时效温度为200-425℃，时效时间为2-4小时。
9.按照权利要求1或3所述的生物医用可降解镁合金的加工工艺，其特征在于：在时效热处理后立即将Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金放入预先预热的模具中，模具的预热温度为200-300℃，之后对Mg-Ga或Mg-Ga-Cu合金进行挤压变形。
10.一种权利要求1或3所述的生物医用可降解镁合金的应用，其特征在于：该材料作为骨科植入材料的应用。
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