CN109811265B - 一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医用金属材料领域，具体为一种Fe‑Mn‑Cu‑C系合金及其应用。合金组分及重量百分比为：Mn 10～35wt.％，Cu 0.2～5.0wt.％，C 0.2～1.5wt.％，余量为Fe。本发明利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，在Fe中加入适量的Mn、Cu和C元素，经熔铸和锻造制备出一种Fe‑Mn‑Cu‑C合金，通过合金元素的协同作用，可提高合金的力学性能及在生物体环境下的腐蚀速率，并使得材料具有多种有益的生物学功能。兼具力学性能、降解性能及生物活性的Fe‑Mn‑Cu‑C合金，特别适用于医学领域中的植入器械材料。因此，在产品设计时，根据不同临床适应症，充分发挥Fe‑Mn‑Cu‑C材料的优异性能，可制备相应缝合线、吻合钉、心血管支架和网状编织支架等。

Description

一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用

技术领域

本发明涉及医用金属材料领域，具体为一种Fe-Mn-Cu-C合金及其医学领域中的作为植入器械材料应用。

背景技术

金属超细丝材或者管材在生物医用领域中具有重要应用价值，可用作缝合线、吻合钉、神经导管、支架等材料。目前，生物医用金属材料在该方面的临床应用中存在以下主要问题：第一，现有的可用作丝材或者支架金属材料如钛合金、不锈钢、Co基合金等属于不可降解吸收的金属材料，长期驻留人体易导致机体炎症、愈合迟缓、致敏、致癌等一系列不良反应，给患者造成潜在的危险因素。当机体病患组织修复或愈合之后，需二次手术取出，给患者带来额外的手术风险、经济压力和生理痛苦。第二，现有的植入金属材料均属于惰性材料，无生物活性，即使是在手术严格执行无菌操作及全身预防性抗炎治疗前提下，仍会出现细菌感染情况。植入物相关感染可引起局部组织破坏，病原体的全身播散和手术失效，导致严重疾病和并发症，还可能造成患者肢体严重伤残甚至危及生命。细菌感染通常难以控制，反复发作，增加伤口愈合时间，影响手术效果，给患者及其家庭带来巨大的身心痛苦和沉重的经济负担。第三，金属植入物的存在会使影像学观察出现金属伪影，从而导致相应区域影响模糊、组织结构变形等。另外，如果金属带有磁性的话还容易存在潜在的风险，如：植入物发热，位移等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Fe-Mn-Cu-C系合金及其医学应用，利用铁基合金优异的生物可降解性、力学性能，以及Cu元素的抗菌、促成骨功能，能够实现一种无需二次手术取出的且具有抗菌、促成骨功能植入金属材料。

本发明的技术方案是：

一种Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金为四元合金，以Fe为主要元素，所添加合金元素包括Mn、Cu、C，合金纯度要求≧99.95wt.％；其中，Mn的含量为10～35wt.％，Cu的含量为0.2～3.0wt.％，C的含量为0.2～1.5wt.％。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金通过Mn元素的添加，经热处理最终形成单一奥氏体组织。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金优选成分为：Fe-28Mn-1Cu-0.8C、Fe-20Mn-2Cu-0.5C或Fe-30Mn-1.5Cu-1C。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，该合金的制备工艺为：将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铁合金铸锭，铸锭在1050～1150℃保温0.5～1.5h后，锻造成Φ10～25mm的圆棒材。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，将Φ10mm的圆棒进行拉拔工艺进行丝材或者管材加工，最终形成Φ0.1～0.6mm直径的丝材，或者外径1.7～1.9mm、管壁厚110～120μm的管材。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金，Fe-Mn-Cu-C系合金丝材或管材，在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1050～1150℃保温0.5～1.5h后，水冷快速冷却到室温。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金适用于医学领域中的植入器械材料，用作缝合线、吻合钉、心血管支架或网状编织支架的材料。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金具有生物可降解性能，在生理盐水中的降解速率为0.10～0.30mm/a。

所述的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率为90％以上。

本发明的设计思想是：

本发明利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，将Fe作为基体材料，在Fe中加入适量的Mn、Cu和C元素，通过熔铸和锻造的方法，制备一种Fe-Mn-Cu-C合金，通过Mn、Cu和C元素的协同作用，可同时提高材料的抗拉强度和塑性及在生物体环境下的腐蚀速率，并使得材料具有多种有益的生物学功能，如：抗菌功能可减少或避免术后细菌感染、抑制血管再狭窄功能、生物可降解性能、促成骨功能和磁兼容性。兼具力学性能、降解性能及生物活性的Fe-Mn-Cu-C合金，特别适用于医学领域中的植入器械材料。因此，在产品设计时，根据不同临床适应症，充分发挥Fe-Mn-Cu-C材料的优异性能，制备相应缝合线、吻合钉、心血管支架和网状编织支架等。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明利用Fe在人体环境中可发生腐蚀而生物降解的特性，通过在纯Fe中加入Mn、Cu、C元素，在提高材料的力学性能的同时，通过Cu元素与其他元素形成的第二相，使得基体与第二相之间的电位差加大，进一步提高合金在生物体环境下的腐蚀速率。利用Cu元素的生物学功能，通过在纯Fe中加入Cu元素，使得材料具有抗菌功能，减少或避免术中和术后引发的细菌感染；同时，在合金降解过程中释放的Cu离子具有可抑制血管再狭窄，促进成骨功能。

2、本发明的含Cu铁基合金力学性能优异，抗拉强度可达到1000MPa以上，屈服强度在350MPa以上，延伸率为70％以上。优异的力学强度保证支架前期的力学支撑，可进一步将丝材细化，缩短体内降解时间，减小材料与组织的接触面积从而减小对组织的刺激作用。

3、本发明的Fe合金在生理盐水中的降解速度可达0.25mm/a(毫米/年)，该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率大于90％。该Fe合金材料的溶血率为2.3％，细胞毒性为1级，满足植入物的生物安全性要求。该Fe合金材料经热处理可得到奥氏体组织，呈现顺磁性，具有较低的磁化率，核磁共振成像兼容性会更好。

4、本发明的含Cu铁合金，适用于缝合线、吻合钉、心血管支架、网状编织支架等金属材料。

附图说明

图1为：Fe-Mn-Cu-C合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌作用；其中，(a)、(c)为对照组；(b)、(d)为Fe-Mn-Cu-C合金；(a)、(b)为大肠杆菌；(c)、(d)为金黄色葡萄球菌。

图2为：Fe-Mn-Cu-C丝材作为吻合钉的吻合猪大肠效果；其中，(a)丝材；(b)吻合钉；(c)吻合猪大肠。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明针对目前金属存在的问题，在前期专利“一种可降解Fe-Mn-C三元铁合金材料及应用(公开号CN102776435A)”的基础上，设计一种改良成分含Mn、Cu、C元素的Fe-Mn-Cu-C合金，利用合金元素耦合效应的使得合金相比于之前的Fe-Mn-C合金，性能得到大幅度优化(见表1)，具有更加优异的力学性能、生物活性、磁兼容性和生物降解性，以及Cu元素的抗菌、抑制血管再狭窄、促成骨功能，能够实现在体内生物环境中被降解吸收，无需二次手术取出的植入金属材料，符合当前先进医疗理念和人体需求，是未来发展的主流和趋势。

表1 Fe-Mn-Cu-C合金性能与纯Fe和Fe-Mn-C合金对比

本发明Fe-Mn-Cu-C合金作为丝材或者支架材料具有如下优势：

(1)优异的力学性能。通过Mn、Cu、C元素的添加和耦合效应，使该合金具有较高的弹性模量、力学强度和塑性，Fe的弹性模量大于316L不锈钢及镁，支架径向支撑力较聚合物及镁基材料具有较大优势，在Fe中添加Mn获得Fe-Mn合金可形成奥氏体组织，解决铁合金MRI兼容性问题，这对于植入产品具有重要意义。

(2)Fe具有生物安全性，Fe是体内营养元素之一，是构成血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素和多种氧化酶、代谢酶的重要成分，是人体维持生命、进行细胞呼吸活动的催化剂。成人体内Fe的含量为4～5g。Fe与316L不锈钢具有类似的血液相容性，可降解Fe支架质量较小，且降解缓慢，释放出的Fe元素含量远小于血液中Fe元素的含量，不会导致全身毒性，所添加的Mn、Cu、C元素也具有生物安全性。

(3)Fe的标准电极电位为-0.44V，是一种易腐蚀材料。相对于Mg，Fe的活动性较弱，腐蚀降解相对较慢，能够保证丝材及支架在服役期内保持稳定的力学性能，相对于Mg合金一般在3～4个月内的完全降解，Fe基合金自身较慢的降解速度可提供前期的力学支撑作用。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：28％，C：0.8％，Cu：1.0％，余为Fe，表示为Fe-28Mn-0.8C-1Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1130MPa，屈服强度为453MPa，延伸率为83％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为96.0％和98.1％，见图1。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.45mm/a，14天时降解速度下降为0.35mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为1.70±0.15％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。进一步地，将Fe-28Mn-0.8C-1Cu合金棒材通过挤压成Φ10mm的圆棒，通过拉拔机结合退火热处理(1050℃)，将材料拉拔成Φ0.3mm的丝材，可用作吻合钉材料(见图2)，该合金最终状态的金相组织为单一奥氏体组织。该吻合钉符合《吻(缝)合器通用技术条件》(YY/T 0245-2008)标准，钉头尖锐，顺利插入组织，将组织连接起来，吻合口能承受3.6kPa的压力。

实施例2

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：20％，C：0.5％，Cu：2.0％，余为Fe，表示为Fe-20Mn-0.5C-2Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1177MPa，屈服强度为493MPa，延伸率为80％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为99.2％和99.9％。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.48mm/a，14天时降解速度下降为0.39mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为2.10±0.18％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。

实施例3

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：30％，C：1.1％，Cu：2.2％，余为Fe，表示为Fe-30Mn-1.1C-2.2Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1200MPa，屈服强度为584MPa，延伸率为76％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为99.9％和99.9％。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.50mm/a，14天时降解速度下降为0.43mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为2.58±0.20％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。

实施例4

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：15％，C：0.7％，Cu：1.5％，余为Fe，表示为Fe-15Mn-0.7C-1.5Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1164MPa，屈服强度为523MPa，延伸率为79％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为97.5％和99.3％。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.47mm/a，14天时降解速度下降为0.41mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为1.90±0.18％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。

实施例5

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：26％，C：1.0％，Cu：0.5％，余为Fe，表示为Fe-26Mn-1C-0.5Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1108MPa，屈服强度为476MPa，延伸率为81％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为92.5％和95.3％。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.45mm/a，14天时降解速度下降为0.37mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为1.82±0.36％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。

实施例6

本实施例中，Fe-Mn-Cu-C四元Fe合金，质量百分含量分别为：Mn：30％，C：1.0％，Cu：1.5％，余为Fe，表示为Fe-30Mn-1C-1.5Cu。通过真空感应熔炼制成Fe合金铸锭，铸锭在1100℃保温1h后，锻造成Φ20mm的圆棒。

依照GB/T 228-2002标准，将Fe合金棒材加工成标准拉伸试样，在万能力学试验机上测得其抗拉强度为1172MPa，屈服强度为513MPa，延伸率为82％。依据抗菌实验标准GB/T2591，测得该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率分别为97.5％和99.3％。根据ASMT-G31金属浸泡标准，在生理盐水中浸泡7天时的降解速度可达0.48mm/a，14天时降解速度下降为0.41mm/a。根据ISO-10993医疗器械生物学评价标准，测得该合金的细胞毒性为1级，溶血率为2.32±0.48％。该材料具有适中的降解速度，优异的抗菌性能和力学性能，良好的生物相容性，良好的核磁共振成像兼容性。

实施例结果表明，本发明含Cu铁合金材料具有优异的力学性能和抗菌性能，合金经1100℃淬火，其抗拉强度可达1100MPa以上，屈服强度400MPa以上，延伸率最高85％。该合金生物降解性能和磁兼容性好，能够在人体内生物降解，且具有较高的生物安全性，具有较低的磁化率，有益于核磁共振兼容性。从而，可作为缝合线、吻合钉、心血管支架、网状编织支架等的材料。

Claims (6)

1.一种作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于：该合金为四元铁基合金，以Fe为主要元素，所添加合金元素包括Mn、Cu、C，合金纯度要求≧99.95wt.％；其中，Mn的含量为26～35wt.％，Cu的含量为0.5～2.0wt.％，C的含量为0.5～1.5wt.％；

该合金的制备工艺为：将纯Fe、Mn、C和Cu按比例通过真空感应熔炼制成铁合金铸锭，铸锭在1050～1150℃保温0.5～1.5h后，锻造成Φ10～25mm的圆棒材；

将Φ10mm的圆棒进行拉拔工艺进行丝材或者管材加工，最终形成Φ0.1～0.6mm直径的丝材，或者外径1.7～1.9mm、管壁厚110～120μm的管材；

Fe-Mn-Cu-C系合金丝材或管材，在拉拔加工过程中，辅以热处理，处理过程为真空氛围下1050～1150℃保温0.5～1.5h后，水冷快速冷却到室温。

2.按照权利要求1所述的作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于，该合金通过Mn元素的添加，经热处理最终形成单一奥氏体组织。

3.按照权利要求1所述的作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金，其特征在于，该合金优选成分为：Fe-28Mn-1Cu-0.8C或Fe-30Mn-1.5Cu-1C。

4.一种权利要求1至3之一所述的作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，其特征在于，该合金适用于医学领域中的植入器械材料，用作缝合线、吻合钉、心血管支架或网状编织支架的材料。

5.按照权利要求4所述的作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，其特征在于，该合金具有生物可降解性能，在生理盐水中的降解速率为0.10～0.30mm/a。

6.按照权利要求4所述的作为植入器械材料的Fe-Mn-Cu-C系合金的应用，其特征在于，该合金具有强烈的杀菌功能，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率为90％以上。

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