CN109280827A - 吻合钉及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用金属材料领域，公开了一种吻合钉及其制备方法和应用。所述吻合钉的材质为镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.01‑3％的Al、0.01‑1％的Sn和95‑99％的Mg。本发明提供的吻合钉兼具高屈服强度和适宜的降解速率，同时具有适宜的比强度和比刚度以及良好的生物安全性，可以保障使缝合的人体组织或器官不受感染，无任何伤害。有望实现大规模的实际临床应用。

Description

吻合钉及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及医用金属材料领域，具体涉及一种吻合钉及其制备方法和应用。

背景技术

目前应用于临床的吻合器中的吻合钉主要是生物金属材料纯钛或钛合金，它具有良好的抗腐蚀性能，在体内能够长期保持结构稳定，但也存在一些弊端，如钛合金在体内因体内摩擦产生磨屑以及因腐蚀产生有毒离子，造成局部过敏反应或者炎症，降低生物相容性。此外，钛合金为不可降解材料，对于短期植入的，在人体组织功能恢复之后，需通过二次手术取出，增加患者的痛苦及医疗费用负担。

因此，镁合金及其复合材料以其显著的可降解吸收高分子和陶瓷材料的综合力学性能、良好的生物相容性和独特的腐蚀吸收特性成为新一代高强度、低模量、可降解植入材料的典型代表，成为生物材料研究领域的前沿研究方向。

与其它常用金属基生物材料相比，镁及镁合金具有以下优点：(1)镁在人体内的正常含量为25g，半数存在于骨骼中。镁及镁合金的密度远低于钛合金，与人骨密度接近；(2)镁是人体细胞内的阳离子，其含量仅次于钾，镁参与蛋白质的合成，能激活体内的多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，保障心肌正常收缩及体温调节；(3)镁的标准电极电位低，在含有氯离子的人体生理环境中可腐蚀降解，在植入人体后随着人体的自愈合而被吸收降解，无需二次手术取出；(4)镁及镁合金有高的比强度和比刚度，抗拉强度为41-45GPa，延伸率能够达到5％以上，可有效缓解应力遮挡效应。

自2005年以来，通过合金化、表面涂层和添加陶瓷颗粒增强复合材料等方法提高镁及其合金的强度，改善耐蚀性。从理论上讲，提高镁合金的强度需要增加其中第二相的含量，而这又恰恰会因a-Mg基体与第二相的电偶腐蚀而恶化合金的耐蚀性，甚至发生点蚀。如何解决这对矛盾，获得兼具高屈服强度和适宜降解速率的镁基材料，满足承重组织吻合对镁基材料性能的要求极具挑战性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的吻合钉的钛合金或纯钛金属材质具有不可降解、有毒性、生物相容性较差和需要二次手术取出等缺陷，提供一种吻合钉及其制备方法和应用，本发明提供的吻合钉具有可降解、无毒、生物相容性好、无需二次手术取出等优点。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种吻合钉，其中，所述吻合钉的材质为镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.01-3％的Al、0.01-1％的Sn和95-99％的Mg。

本发明第二方面提供一种制备吻合钉的方法，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液依次进行浇铸、均质化、挤压和拉拔，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的吻合钉为根据本发明所述的吻合钉。

本发明第三方面提供了由本发明所述方法制备的吻合钉。

本发明第四方面提供了根据本发明所述的吻合钉在管型消化道吻合器中的应用。

本发明提供的吻合钉兼具高屈服强度和适宜的降解速率，其密度与人骨密度接近，在含有氯离子的人体生理环境中可腐蚀降解，在植入人体后随着人体的自愈合而被吸收降解，无需二次手术取出，具有适宜的比强度和比刚度，杨氏模量可达45GPa，可有效缓解应力遮挡效应。此外，本发明提供的吻合钉具有良好的生物安全性，可以保障使缝合的人体组织或器官不受感染，无任何伤害。有望实现大规模的实际临床应用。

本发明提供的吻合钉适用于作为人体组织或器官的缝合材料，特别适用于管型消化道吻合器中的应用。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

具体实施方式

本发明提供了一种吻合钉，其中，所述吻合钉的材质为镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.01-3％的Al、0.01-1％的Sn和95-99％的Mg。

根据本发明，所述吻合钉的材质为镁合金，通过适当地调节镁合金中各金属元素含量，可以使获得的吻合钉具有适宜的降解速率、密度和弹性模量，有效避免了现有技术使用的钛合金、不锈钢和钴合金作为人体器官或组织的缝合金属材料的弹性模量高、密度大、不能降解吸收等缺陷。

根据本发明，所述镁合金含有Al。Al是镁合金中重要的合金元素，在镁中有非常大的固溶度，具有明显的强化作用，其强化作用表面在两方面，一是通过形成Mg₁₇Al₁₂金属间化合物的第二相强化，二是通过Al原子在镁基体中形成固溶体的固溶强化。Mg-Al合金中的Mg₁₇Al₁₂相主要以离异共晶网状形式分布于晶界，第二相可以与基体相呈共格或者非共格关系，阻碍位错运动，使镁合金的强度增大，此外，对于活泼的镁合金基体，第二相多为阴极相，Al的添加可以使第二相得到细化，从而使镁合金基体上大的阴极相变得细小松散，使镁合金基体钝化，特别有利于改善镁合金的耐腐蚀性能和力学性能。但是过高的Al含量，会对人体的神经产生毒性。在保障不造成神经毒性的前提下，为了使所述镁合金具有适宜的弹性强度和降解速度，所述镁合金中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Al的含量为0.01-3％。优选地，为了使所述镁合金具有最佳的弹性强度和降解速度，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Al的含量为0.1-3％。

根据本发明，所述镁合金含有Sn。适量的Sn添加在Mg-Al镁合金中能够降低镁的层错能进而有利于实现镁合金的超塑性，提高合金的强韧性，同时具有一定的固溶强化效果；但是Sn的含量较高时，大尺寸的Mg₂Sn聚集在晶界会降低合金的力学性能；第二相Mg₂Sn细化了Mg₁₇Al₁₂相，当合金凝固时，第二相Mg₂Sn优先于Mg₁₇Al₁₂相在晶界处生成，则大尺寸、连续的Mg₁₇Al₁₂相无法在晶界形成，当合金进行时效处理时，有利于Mg₁₇Al₁₂相的小尺寸析出，进而适当改善合金的强度和耐蚀性能。为了使所述镁合金具有适宜的塑性和耐腐蚀性，防止镁合金在人体中腐蚀速率过快，后期强度不足，同时具有适宜的抗拉强度和延伸性，所述镁合金中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Sn的含量为0.01-1％。优选地，为了使所述镁合金具有更佳的耐腐蚀性和力学性能，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Sn的含量为0.1-1％。

根据本发明，所述镁合金可以含有或不含有Ca、Zn、Li、Sr、Y、Gd、Dy和Mn，少量Ca、Zn、Li、Sr、Y、Gd、Dy或Mn的加入可以进一步改善镁合金的性能。下文中，将选自Ca、Zn、Li、Sr、Y、Gd、Dy和Mn中的一种或任意组合记为R。本发明中，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，R的含量为0.01％以上，优选为0.04％以上。在使镁合金具有较高的机械性能的前提下，从进一步提高镁合金的耐腐蚀性能的角度出发，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，R的含量为不高于1％。优选地，为了最大限度地改善所述镁合金的机械性能和耐腐蚀性，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中R的含量为0.05-0.5％。

根据本发明，Zn元素是镁合金中常用的合金化元素之一，主要用来改善合金的力学性能，但是，过多Zn的加入，会降低合金的耐蚀性能。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Zn的含量为0-0.04％。

根据本发明，适量的Mn元素可以提高镁合金的腐蚀性能，在晶界生成的Al-Mn化合物与Mg₁₇Al₁₂相相比，更容易钝化，有利于进一步改善镁合金的耐蚀性能。同时，适量Mn元素的引入还可以改善合金的铸造性能。但是如果镁合金中Mn元素的含量过高，会对镁合金的耐腐蚀性产生不利影响。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Mn的含量为0-0.03％。

根据本发明，Ca元素是生物必需的元素，对人体而言，无论肌肉、神经、体液和骨骼中，都有用Ca²⁺结合的蛋白质。Ca是人类骨、齿的主要无机成分，也是神经传递、肌肉收缩、血液凝结、激素释放和乳汁分泌等所必需的元素。Ca元素的添加有利于促进缝合处伤口的愈合。但是合金中Ca元素的含量过高时，会对镁合金的耐腐蚀性产生不利影响。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Ca的含量为0-0.04％。

根据本发明，适量的Li元素可以提高镁合金的可热处理性能，并可以适当降低镁合金的密度，但是，过多Li元素的加入，会降低合金的耐蚀性能。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Li的含量为0-0.04％。

根据本发明，Sr元素是人体必需的金属元素之一，能够提高成骨细胞的活性，加快骨组织的愈合。目前在临床上已经开始口服Sr盐来治疗骨质疏松症，其具有良好的生物相容性。并且，Sr元素还可以降低人体对Na元素的吸收，有利预防心血管疾病。此外，Sr元素是一种高效的镁合金晶粒细化剂，能够有效的细化镁合金晶粒。在镁合金中添加Sr元素还能通过改变合金的表面性质来改善镁合金的力学性能和抗腐蚀性能，优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Sr的含量为0-0.04％。

根据本发明，重稀土元素Y是常用的合金添加剂，可以增强合金的抗氧化性和延展性，适量的Y元素可以提高镁合金的抗拉强度和屈服强度，并可以适当提高镁合金的固溶度，但是，过多Y元素的加入，会对人体造成毒副作用。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Y的含量为0-0.02％。

根据本发明，轻稀土元素Gd具有很高的化学活性，适量的Gd元素可以为镁合金提供强化相，细化晶粒，改善镁合金的抗拉强度、延伸率和耐腐蚀性能，但是过多Gd元素的加入，不利于镁合金在人体内的降解。优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Gd的含量为0-0.04％。

根据本发明，混合稀土元素Dy是表面活性元素，适量的Dy元素可以降低镁合金熔体的表面张力，提高镁合金熔体的流动性，降低镁合金中Al、Sn和Mg元素粒子的表面能，从而降低Al、Sn和Mg元素粒子的偏析团聚倾向，使Al、Sn和Mg元素粒子更加均匀地分布在镁合金中，增加镁合金的有效形核数量，进而提高镁合金的晶粒细化能力，从而提高镁合金的抗细化衰退能力，改善镁合金的综合性能，但是Dy元素价格昂贵，综合考虑镁合金综合性能及成本因素，优选地，以镁合金的总量为基准，以重量百分比计，Dy的含量为0-0.04％。

根据本发明的镁合金允许存在少量其它金属元素，如Fe、Cu、Ni和Co，Fe、Cu、Ni和Co以及所述其它金属元素可以来源于制备合金时合金原料中的杂质，也可以来源于制备合金时作为合金的一种组成元素而添加的原料。

在本发明的一个优选实例中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.01-3％的Al、0.01-1％的Sn、0-0.04％的Ca、0-0.04％的Zn、0-0.04％的Li、0-0.04％的Sr、0-0.02％的Y、0-0.04％的Gd、0-0.04％的Dy和0-0.03％的Mn，余量为Mg。

根据该优选的实例，所述镁合金可以含有上述其它金属元素中的一种或两种以上，也可以不含有上述其它金属元素。

可以采用常规方法来制备所述吻合钉。具体地，可以将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液依次进行浇铸、冷却、挤压和拉拔，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的吻合钉为本发明所述的吻合钉。

根据本发明，所述熔炼一般可以在700-750℃的温度下进行，熔炼的时间一般可以为20-60分钟。为了避免镁合金熔体在熔炼过程中与空气接触而氧化，在熔炼时，可以采用覆盖剂进行熔体保护，也可以采用氮气加六氟化硫气体保护，还可以进行惰性气体保护。所述覆盖剂可以为镁合金冶炼领域的常规选择，例如可以为MgCl₂、KCl、NaCl和CaF₂中的一种或两种以上。从进一步提高制备的镁合金的成分均匀性的角度出发，在熔炼过程中，进行吹氩搅拌。所述氩气优选为纯度为99.99％以上的高纯氩气。随后，将经搅拌的熔体注入金属模具中进行浇铸，冷却后得到合金铸锭。

根据本发明，所述均质化优选在热处理炉中进行，所述均质化的温度可以为300-350℃，所述均质化的时间可以为10-12小时。

根据本发明，所述挤压的过程包括：将均质化处理后的合金铸锭直接进行热挤压，挤压比可以为10-20，挤压温度可以为200-300℃，从而得初级坯料。所述初级坯料还可以进行切割车削加工，再通过200-400℃、3-10小时固溶处理后淬火，形成二级坯料。

根据本发明，所述拉拔的过程包括：将二级坯料进行多道次连续拉拔形成不同直径的丝材。其中，分别在截面积缩小率为10-60％时进行原位无氧退火，退火温度100-300℃，退火时间30-600s。优选地，所述拉拔的工艺条件包括：截面积缩小率为30-50％、退火温度为150-250℃、退火时间为200-400s。

根据本发明，所述方法还包括：将成品丝材紧密绕制在凸型模具上，从中间用金刚石片切断，从而得到与实际应用所需尺寸与形状的与吻合器配套使用的吻合钉，其中，凸型模具的凸形与目标的U型钉的形状一致。所述吻合钉的尺寸和形状没有特别的限定，可以根据实际应用需要，选择不同的凸型模具进行加工。例如，所述吻合钉的直径可以为0.2-0.3mm，优选为0.2mm或0.23mm，所述吻合钉的钉长可以为10-20mm，钉高可以为2-5.5mm。

本发明提供的吻合钉利用多元微合金化改善镁合金的显微组织，进而提高其力学性能，合理选择合金化元素，控制各合金化元素的含量，发挥了各组分的协同强化作用，改善了镁合金的力学性能和耐腐蚀性能，使制得的吻合钉不仅具有良好的综合机械性能，抗拉强度能够达到45GPa，一般在41-45GPa之间，延伸率能够达到5％以上，一般在5-10％之间，而且具有适宜的耐腐蚀性，在浓度为5重量％的NaCl溶液中，腐蚀速率为3.846-5.412mg/(m²·h)。

本发明提供的吻合钉和由本发明提供的方法制备的吻合钉适用于作为人体组织或器官的缝合材料，特别适用于管型消化道吻合器中的应用。

以下结合实施例对本发明进行详细描述，但并不因此限制本发明的范围。

以下实施例和对比例中，分别采用以下方法对制备的吻合钉进行拉伸性能测试试验和耐腐蚀性能测试试验。

(1)拉伸性能测试试验：根据ISO 6892-1的测试方法，将拉拔得到的直径为0.23mm镁合金丝材，采用万能力学试验机进行拉伸测试，得到屈服强度和延伸率，其中，屈服强度为产生0.2％残余变形的屈服极限，延伸率为断裂延伸率。

(2)耐腐蚀性能测试：将得到的直径为0.23mm、钉长为16mm、钉高为5.5mm的吻合钉，浸泡到5重量％的NaCl水溶液中，浸泡48小时(即，2天)，采用失重法计算腐蚀速率，计算方法如下：

V＝(m₁-m₂)/(t×s)

其中，m₁为浸泡前吻合钉样品的质量，以mg计；

m₂为浸泡后经蒸馏水清洗并在120℃烘干至恒重后的吻合钉样品的质量，以mg计；

t为浸泡时间，以小时(h)计；

s为吻合钉样品的表面积，以mm²计；

V为腐蚀速率，以mg/(mm²·h)计。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

实施例1-7和对比例1-7

以重量百分比计，混合镁合金的组成中的各组分配制镁合金原料。将配制好的合金原料置于熔炼炉中进行熔炼，熔炼过程中通入99.99％的高纯氩气，在720℃的温度下冶炼30min。将得到的熔体注入金属模具中，冷却后得到镁合金铸锭。随后将所述镁合金铸锭在350℃下进行均质化处理12小时，将均质化处理后的合金铸锭直接进行热挤压，挤压比为17，挤压温度为250℃，得初级坯料。将初级坯料进行切割车削加工，再通过300℃、8小时固溶处理后淬火，形成二级坯料。之后将得到的二级坯料进行多道次连续拉拔形成直径为0.23mm的镁合金丝材。其中，分别在截面积缩小率为50％时进行原位无氧退火，退火温度200℃，退火时间300s。将成品丝材紧密绕制在凸型模具上，用锉刀挫断外露的镁合金，从而得到与实际应用所需尺寸与形状的与吻合器配套使用的吻合钉，其中，凸型模具的凸形与目标的U型钉的形状一致。得到直径为0.23mm、钉长为16mm、钉高为5.5mm的吻合钉。

制备实施例1-7和对比例1-7中的吻合钉所用的物料、用量以及对制得的吻合钉的各种性能的测试结果如表1所示。

通过表1的结果可以看出，特别是实施例1与对比例1-7的测试结果可以看出，本发明的吻合钉具有适宜的力学性能和耐腐蚀性能。特别地，比较实施例1与实施例4-7可以看出，当控制各组分的含量在本发明所限定的优选范围内时，获得的吻合钉的性能更优。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种吻合钉，其特征在于，所述吻合钉的材质为镁合金，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金含有以下元素：0.01-3％的Al、0.01-1％的Sn和95-99％的Mg。

2.根据权利要求1所述的吻合钉，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金还含有以下元素：0.01-1％的R，R为Ca、Zn、Li、Sr、Y、Gd、Dy和Mn中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的吻合钉，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Al的含量为0.1-3％。

4.根据权利要求1所述的吻合钉，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中Sn的含量为0.1-1％。

5.根据权利要求1所述的吻合钉，其中，以该镁合金的总量为基准，以重量百分比计，该镁合金中R的含量为0.05-0.5％。

6.一种制备吻合钉的方法，该方法包括将镁合金原料进行熔炼，并将熔炼得到的合金液依次进行浇铸、均质化、挤压和拉拔，其中，所述镁合金原料的组成使得得到的吻合钉为权利要求1-5中任意一项所述的吻合钉。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述挤压的条件包括：挤压比为10-20，挤压温度为200-300℃。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述拉拔的条件包括：截面积缩小率为10-60％、退火温度为100-300℃、退火时间为30-600s。

9.由权利要求6-8中任意一项所述的方法制备的吻合钉。

10.权利要求1-5和9中任意一项所述的吻合钉在管型消化道吻合器中的应用。