CN114182121B

CN114182121B - 一种可降解金属钼基合金的骨科固定材料制备方法

Info

Publication number: CN114182121B
Application number: CN202111383698.6A
Authority: CN
Inventors: 张海军; 周超; 周广泰
Original assignee: Shandong Rientech Medical Technology Co ltd
Current assignee: Shandong Rientech Medical Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2041-11-22
Also published as: CN114182121A

Abstract

本发明公开了一种可降解金属钼基合金的骨科固定材料制备方法。按质量百分含量，包括0.01%‑22.0%Cu和0.01%‑25%Ca和余量的Mo组成。制备时Cu、Ca和Mo粉末置于行星式高能球磨机中，将球磨罐抽真空后通入氩气进行球磨，取球磨后的粉末压制后置于真空管式炉进行烧结即得钼合金骨科固定材料片材或棒材，再经机械加工成各种可吸收的功能化骨钉、骨板等骨科固定材料。该钼合金骨科固定材料力学性能满足骨科植入材料的要求，生物相容性好，铜和钙的引入可以使产品具有抗菌、诱导骨修复、促进钙化等。

Description

一种可降解金属钼基合金的骨科固定材料制备方法

技术领域

本发明涉及一种可降解金属钼基合金的骨科固定材料制备方法，涉及医疗器械技术领域。

背景技术

生物体内可降解吸收材料是生物材料研究的热点。临床应用的生物体内可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料，如聚乳酸、磷酸钙等，这些产品可以避免患者二次手术伤害、避免核磁共振成像检查的干扰，促进骨愈合，但是这些聚合物材料本身力学性能的限制导致材料强度偏低，陶瓷材料的塑韧性又较差。

金属以其优异的力学性能和易加工性，在传统骨科内固定器械领域中一直占据主流。为了避免植入材料与人体发生不良反应，人们对金属材料的选择倾向于耐腐蚀性、惰性更为良好的材料，如纯钛、不锈钢，钴基合金、钛基合金等。然而大多数骨科植入器械在植入人体后所起的作用是暂时性的，在病理期结束后将成为患者的负担和安全风险。如用于骨折内固定的钉/板系统(材质为不锈钢、钴铬钼合金或钛/钛合金等)，需要在断骨愈合后通过二次手术取出；有的器械在植入后不可取出、终身携带，金属离子长期缓慢释放将带来致癌风险；携带金属植入物期间，患者不能进行正常的核磁共振成像检查。而传统的金属植入材料的弹性模量要高出人体皮质骨一个数量级，材料力学性能与天然骨的差异，造成应力遮挡效应、导致骨愈合延迟，错配效应等不良影响。因此传统金属内固定器械在力学性能上尚需要改进。

科研工作者们逐渐试图用可降解金属材料代替传统的“惰性”金属材料和聚合物材料来克服上述材料的缺陷。该方向的研究主要集中在作为人体必需金属元素且力学性能相对较好的镁(Mg)和铁(Fe)上。由于镁和铁在含有丰富氯离子(Cl^- )的人体环境中会反应形成氧化膜，该氧化膜疏松多孔，无法对金属材料基体形成有效保护；且镁(Mg)的标准平衡电极电位较高，呈现出较高的降解活性，而铁的标准平衡电极电位则较低，呈现出较低的降解活性。

钼(Mo)是大多数生物体内必不可少的元素，也是人体必需的微量元素之一，人体每千克含0.07毫克钼，它在肝和肾中含量较高，钼对尿结石的形成具有强烈的抑制作用，人体缺钼易患肾结石，而在脊椎骨中含量较低，牙釉质中也含有钼，可能有助于防腐。至少有50种生物酶中含钼，包括醛氧化酶，亚硫酸盐氧化酶和黄嘌呤氧化酶。含钼的生物酶在调节碳、硫和氮的过程中催化氧化反应和小分子分解。在人体和一些动物体内，含钼的黄嘌呤氧化酶促进嘌呤分解代谢，将黄嘌呤氧化为尿素。黄嘌呤氧化酶的活性与体内钼含量密切相关，两者呈正比关系，但是当体内钼含量极高时会逆转这个趋势，反而阻碍嘌呤分解代谢。体内钼浓度还会影响蛋白质合成、新陈代谢和生长发育。严重缺钼的人，由于亚硫酸盐氧化酶不能正常发挥功能，容易因食物中的亚硫酸盐中毒。在北半球土壤含钼量很低的地理区域内生活的人们，饮食普遍缺钼，导致罹患食道癌的概率增加。

对于骨科植入固定材料而言，能够同时避免患者二次手术伤害，避免应力遮挡效应和促进骨愈合等特点的骨科固定材料是本领域的研究重点。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种可降解金属钼基合金骨科固定材料的制备方法，所述钼合金植入材料按质量百分含量包括0.01%-22%的Cu，0.01%-25%的Ca和余量的Mo。

所述钼合金植入材料按质量百分含量，包括1-22%Cu、1-25%Ca和余量Mo。

所述钼合金植入材料按质量百分含量，包括1%-18%的Cu，1%-23%的Ca（优选5%-20%）和余量的Mo；优选的，包括13%Cu、18%Ca和余量Mo。

所述钼合金植入材料中Mo、Cu和Ca的纯度要大于99.99％，杂质总含量≤0.01％。

所述钼合金骨科固定材料的制备方法为：按质量百分含量，将Cu、Ca和Mo粉末置于行星式高能球磨机中，将球磨罐抽真空后通入氩气进行球磨，取球磨后的粉末压制为圆柱状试样然后置于真空管式炉进行烧结即得钼合金骨科固定材料片材或棒材，得到钼合金骨科固定用材料。

所述钼合金骨科固定材料的制备方法为：按质量百分含量，将Cu、Ca和Mo粉末置于行星式高能球磨机中，将球磨罐抽真空后通入氩气进行球磨，取球磨后的粉末压制为圆柱状试样然后置于真空管式炉进行烧结即得钼合金骨科固定材料片材或棒材，得到钼合金骨科固定用材料；再经机械加工得到所述各种可吸收的功能化骨钉、骨板等骨科固定材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是。

采用钼基合金为主要成分，钼的降解速度可满足临床要求，降解产物具有良好的生物相容性。

铜的降解产物Cu²⁺是人体健康不可缺少的微量营养元素，是体内血蓝蛋白的组成元素，对于血液、中枢神经和免疫系统、头发、皮肤、骨骼组织及脑、心脏、肝脏的发育和功能具有重要影响。

Cu²⁺还具有杀菌作用，降低手术后器械周围的感染几率，实现骨科植入固定材料的高性能化和多功能化。

铜的降解产物Cu²⁺可以促进骨折区域血管的再生，加速骨折的愈合。

具体实施方式

本发明提出的骨科固定材料钼合金为可降解材料，按质量百分含量，包括 53％-99.98％的Mo，0.01％-25％的Ca，和0.01％-22％的Cu。钼合金骨科固定材料中优选1％-18％的Cu，1％-23％的Ca，余量为Mo；更优选，13％的Cu，18％的Ca，余量为Mo，杂质总量＜0.01％。其中，钼、铜和钙的纯度要大于99.99％，杂质的总含量要≤0.01％。

本发明所述的可降解钼合金骨科固定材料的制备，包括以下过程。

按质量百分含量，将Cu、Ca和Mo粉末置于行星式高能球磨机中，将球磨罐抽真空后通入氩气进行球磨，取球磨后的粉末压制为圆柱状试样然后置于真空管式炉进行烧结即得钼合金骨科固定材料片材或棒材，得到钼合金骨科固定用材料；再经机械加工得到所述各种可吸收的功能化骨钉、骨板等骨科固定材料。

以下结合具体实施例，更具体地说明本发明的内容，并对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明进行限制。

下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。所述百分比如无特别说明均为质量百分比含量。

实施例1：钼-钙-铜合金。

本实施例中可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其制备过程包括以下步骤。

按质量百分含量，将13％的Cu，18％的Ca，余量的Mo（杂质含量＜0.001%）加入到高能球磨机中，将球磨罐内抽真空后通入氩气，进行顺、逆向交替间隔运行，间隔时间为5-10min，运行时间为30-45min，转速为450-600r/min，球磨时间10-12h。将球磨好的金属粉末压制为圆柱状试样，然后将试样放入氩气氛围的真空管式炉中，进行1600℃、3-4h的烧结。

将热处理后的钼合金挤压加工成直径5mm、长度500mm的棒材。

将所得棒材经CNC机床切割、电化学抛光为直骨钉形状。

效果验证。

上述制备方法所得钼合金骨科固定材料，其弹性模量为54GPa，屈服强度约为198MPa，抗拉强度约为267MPa，延伸率可达25%，能够适应承重部位骨折断骨固定的力学性能要求。

对上述制备的骨钉按照ASTM_G31-1972方法测得的降解速率为0.28mm/a；依据GB16886系列方法检测血液相容性，溶血率为1％，低于标准规定值5％；细胞毒性反应为Ⅰ级、无皮内刺激，致敏率0％。

按照QB/T2591-2003 《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》附录A进行抗细菌性能测试，对金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌的抗细菌率分别为91％和93％，按标准中5.1表1判定为“有抗细菌作用”。

由于该钼合金骨科固定材料的弹性模量较传统的内固定材料更接近人皮质骨，能够一定程度上避免骨科植入物对正常人骨的应力遮挡效应，促进骨愈合。

实施例2：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜2%，钙21%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例3：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜16%，钙2%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例4：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜9%，钙11%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例5：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜5%，钙7%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例6：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜15%，钙17%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例7：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜18%，钙23%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

实施例8：钼-钙-铜合金。

本实施例的可降解钼合金骨科固定材料为钼-钙-铜合金，其中含有铜21%，钙24%，余量为钼，杂质总含量小于0.001%，制备过程同实施例1。

比较例1（无铜的钼-钙合金）：按本发明的制备方法得到的钼合金骨科固定材料，其中含有钙18%，余量为钼。

比较例2（无钙的钼-铜合金）：按本发明的制备方法得到的钼合金骨科固定材料，其中含有铜13%，余量为钼。

比较例3（铜含量高于22%的钼-钙-铜合金）：按本发明的制备方法得到的钼合金骨科固定材料，其中含有铜25%，钙18%，余量为钼。

比较例4（钙含量高于25%的钼-钙-铜合金）：按本发明的制备方法得到的钼合金骨科固定材料，其中含有铜13%，钙30%，余量为钼。

实施例1-8的钼合金骨科固定材料，其力学性能和腐蚀性能((ASTM-G31-72)，Hank’s模拟体液，37℃)见表1，比较例1-4的力学性能和腐蚀性能见表1。

表1：实施例1-8和比较例1-4的力学性能和腐蚀性能。

由表1的测试数据可知，本发明的可降解金属钼合金的力学强度和延伸性能均可满足骨科固定材料的临床使用要求及生产加工工艺的要求；另外，本发明可降解钼合金材料的腐蚀速度在0.20-0.33mm/a，可以作为可降解的体内植入材料进行使用。按照ISO10993方法测试材料的细胞毒性，实施例1-8的材料毒性均为2级，无明显的细胞毒性，无皮内刺激，无致敏，无遗传毒性。

与本发明的钼合金骨科固定材料相比较，比较例1-4的材料的延伸率和腐蚀速度均较低，弹性模量较高促进骨愈合的速度较慢，不能满足临床对降解材料的要求。

以上指出的具体实施方式，对本发明做出了详细的说明，让该领域的人员更加全面的了解本创新发明，在本发明的基础上，做出一些调整或是改进，对本领域的技术人员来说是不言而喻的，在不脱离本创新发明的权利要求定义的精神实质和范围的调整或改进，其均在本创新发明专利的保护范围中。

Claims

1.一种可降解金属钼基合金的骨科固定材料制备方法，其特征在于：所述钼合金植入材料按质量百分含量，由1％-18.0％的Cu，1％-23.0％的Ca和余量的Mo组成；其制备方法为：按质量百分含量将Cu、Ca和Mo粉末置于行星式高能球磨机中，将球磨罐抽真空后通入氩气进行顺、逆向交替间隔运行，间隔时间为5-10min，运行时间为30-45min，转速为450-600r/min，球磨时间10-12h；取球磨后的粉末压制为圆柱状试样，然后将试样放入氩气氛围的真空管式炉中，进行1600℃、3-4h的烧结；将热处理后的钼合金挤压加工成直径5mm、长度500mm的棒材；将所得棒材经机械加工、电化学抛光获得骨科固定材料。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钼合金植入材料中Mo、Cu和Ca的纯度要大于99.99％，杂质总含量≤0.01％。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述骨科固定材料为可吸收的功能化的骨钉或可吸收的功能化的骨板。