專利名稱：鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，具體的說涉及可降解的鎂合金材料作為骨 外科內(nèi)固定及植入材料在骨創(chuàng)傷外科和整形重建外科中的應(yīng)用，特別是涉及使 用于釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘系統(tǒng)等的鎂合金內(nèi)固定及植入材料。
技術(shù)背景目前，臨床上用的骨外科內(nèi)固定及植入材料主要是由不銹鋼和鈦合金材料 制成，這些材料在體內(nèi)不能被吸收、降解，若內(nèi)固定材料長期存在體內(nèi)，發(fā)生 電解、電離反應(yīng)，影響機(jī)體功能或骨的愈合。因此，當(dāng)骨愈合后，大多數(shù)內(nèi)固 定或內(nèi)植入材料需要二次手術(shù)取出，這不但增加了病人經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)，同時(shí)增 加了身體上的痛苦。同時(shí)，由于所采用合金的力學(xué)強(qiáng)度、密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然骨， 在骨愈合過程中，這些金屬材料會(huì)發(fā)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，即將金屬材料植入人體 后，因其與人骨材料的彈性模量不匹配而產(chǎn)生的骨受力被遮擋的效應(yīng)，會(huì)使骨 骼強(qiáng)度降低、愈合遲緩，易產(chǎn)生骨質(zhì)疏松或在內(nèi)固定或植入材料取出后，發(fā)生 再骨折。而臨床少量應(yīng)用的可降解的高分子材料(如聚乳酸類)的螺絲釘或接骨板，由于其力學(xué)性能差，很難承受較大的負(fù)重；降解產(chǎn)物引起炎癥反應(yīng)，僅 能少量應(yīng)用肌肉豐富的部位；同時(shí)，其降解速率與其力學(xué)性能的衰減不匹配， 這些因素限制了其在臨床上的應(yīng)用。理想的骨外科內(nèi)固定及植入材料應(yīng)該具有如下特點(diǎn)1)具有良好的力學(xué)性能，在骨折完全愈合之前能夠提供穩(wěn)定的力學(xué)支持；2)具有良好的組織相 容性，放置后不引起免疫排斥反應(yīng)和炎癥反應(yīng)；3)在完成其作用后能夠逐漸 降解，排出體外；4) X射線下具有良好的可視性或MRI相容性，便于術(shù)后的 跟蹤觀察。鎂合金是一種生物可降解的金屬材料，最早在上世紀(jì)30年代就開始用于 骨組織修復(fù)和整形外科，但是由于純鎂的降解速率太快，并產(chǎn)生大量的氫氣， 從而限制了其應(yīng)用。但是隨著合金技術(shù)的發(fā)展，更多的合金元素被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用， 從而使可降解的鎂合金又被人們所重新認(rèn)識(shí)。鎂合金的降解機(jī)理如下Mg樹+ 2(::t 師《2,,OHh《4 I 2CI" 1,:12. <3、研究表明，鎂合金具有良好的生物相容性和優(yōu)良的機(jī)械性能， 一些其它的 合金元素尤其是稀土元素的加入，使得其物理化學(xué)性能和生物性能得到改善和 提高，尤其是解決了鎂合金在體內(nèi)降解過快的缺點(diǎn)。研究表明，鎂合金的降解 速率主要與其合金成分以及所處的生理環(huán)境有關(guān)。已經(jīng)有報(bào)道，以鎂合金為基 礎(chǔ)的合金支架用于豬的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鎂合金的生物相容性非常好， 具有極大的應(yīng)用潛力。同時(shí)各種不同的鎂合金用于骨，軟骨以及其它的整型材 料，都顯示了良好的生物相容性。研究表明，鎂合金有可能成為新的骨外科內(nèi)固定及植入材料，因?yàn)殒V合金有高的比強(qiáng)度和比剛度，純鎂的比強(qiáng)度為133GPa/(g/cm3 )，而超高強(qiáng)度鎂合金 的比強(qiáng)度已達(dá)至U 480GPa/(g/cm3)，比Ti6A14V的比強(qiáng)度(260GPa/(g/ cm3))高出 近1倍。鎂合金的楊氏模量約為45Gpa，更接近人骨的彈性模量(20GPa)，能 有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)。鎂合金的密度約為1.7g/cm3，與人骨密度(1.75g/cm3)接近，遠(yuǎn)低于Ti6A14V的密度(4. 47g/cm3)，符合理想骨外科內(nèi)固定及植入材 料的要求。因此鎂合金作為骨固定及融合材料，能夠在骨愈合的初期提供穩(wěn)定 的力學(xué)環(huán)境，逐漸而不是突然降低其應(yīng)力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大 乃至生理水平的應(yīng)力刺激，從而加速愈合，防止局部骨質(zhì)疏松和再骨折。因此， 鎂合金作為骨外科內(nèi)固定及植入材料，具有很多優(yōu)于其他金屬生物醫(yī)用材料的 性能。作為應(yīng)用于釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘系統(tǒng)的骨外科內(nèi)固定及植入材料，其性能必 須滿足以下幾點(diǎn)O.具有理想的生物相容性，和周圍的骨組織具有較高的結(jié) 合性能；2).合適的力學(xué)強(qiáng)度，在骨愈合的初期提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，同時(shí)盡 可能降低應(yīng)力遮擋作用；3).合適降解速率，與骨愈合的速率相匹配，既能滿 足不同愈合階段的力學(xué)要求，又可以逐漸增加骨折部位的應(yīng)力刺激。鎂合金的 綜合性能非常適合上述植入材料，但是市場(chǎng)上生產(chǎn)的鎂合金材料作為醫(yī)用內(nèi)固 定及植入材料其性能還不是很令人滿意，而適合用于釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘系統(tǒng)等 的鎂合金幾乎沒有。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的就是針對(duì)目前鎂合金材料的缺點(diǎn)，提供了一種可降解的鎂合 金骨外科內(nèi)固定及植入材料，這種材料既保持了金屬材料良好的力學(xué)性能，同 時(shí)又在體內(nèi)具有生物可降解性，非常適合用于釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘系統(tǒng)等，避免 了二次手術(shù)取出。鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料，以純鎂為基材，添加有鈣元素，鋅元素， 所述鋅含量為2-5%，鈣含量為1-3%。所述鎂合金中還含有鋁元素，所述鋁元素含量為3-8%。 所述鎂合金中還含有稀土元素鋯、釹或/和鈮元素，所述鋯含量《3%，釹含量《3%，鈮含量《3%。所述鎂合金表面還經(jīng)過表面改性，所述表面改性方法包括表面鈍化處理， 離子注入，表面合金化，陽極氧化，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，等離子體處理和表面涂覆。 上述鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料在釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘系統(tǒng)中的應(yīng)用。 所用的鎂合金以純鎂為基體材料，通過添加鋅、鈣、鋁、鋯、釹、鈮和稀 土元素組成的三元和多元的鎂合金體系。這種鎂合金元素的重量百分比組成 為鋅的含量2 — 5%;鈣的含量1一3%;鋁的含量3 —8%;鋯的含量為《3%;釹的含量為《3%;鈮的含量為《3%、，其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的骨外科內(nèi)固定及植入材料用的鎂合金，通過加入一定比例的鋅，使之形成鎂鋅相，可以提高鎂的強(qiáng)度，調(diào)節(jié)鎂的降解速率；鈣的加入，可以起 到細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度的作用；這兩種元素都是人體所必需的營養(yǎng)元素，具有 良好的生物相容性。本發(fā)明的骨外科內(nèi)固定及植入材料用的鎂合金，通過加入一定比例的鋁可 以形成新的合金相，調(diào)節(jié)合金的降解速率和力學(xué)強(qiáng)度。本發(fā)明的骨外科內(nèi)固定及植入材料用的鎂合金中，鋯、釹、鈮這三種稀土 元素都是已經(jīng)在一些醫(yī)用合金中得到廣泛的應(yīng)用，具有良好的生物相容性。用 它們作為微量合金元素可以進(jìn)一步控制鎂合金的物理化學(xué)性能；調(diào)節(jié)鎂合金的 降解速率；改善其加工性能。鋯、鈮元素利于合金的強(qiáng)化，降低合金的彈性模 量，提高合金的韌性。釹元素可提高合金的高溫性能和耐腐蝕性，提高鎂合金 的可加工性和調(diào)節(jié)鎂合金的降解速率。因此，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)合金元素的組成和比例，使得鎂合金骨外科內(nèi)固定 及植入材料的降解性能得到穩(wěn)定的控制，降解半衰期可以控制在0.01—2mm/ 年，降解生成的金屬離子除少部分被人體利用外，大部分通過腎小管的過濾排除體外。鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料的力學(xué)性能得到良好的控制，彈性模量可以控制在40-50Gpa，滿足骨外科內(nèi)固定及植入材料的力學(xué)要求。鎂合金的降解速率、力學(xué)性能、生物相容性，通過材料的本體性能和表面 改性進(jìn)行調(diào)節(jié)。合金的本體性能包括合金化的元素及組成比例；材料的加工狀 態(tài)；材料的微觀結(jié)構(gòu)(晶粒度及金相結(jié)構(gòu))等。表面改性的方法包括表面鈍 化處理；離子注入；表面合金化；陽極氧化；化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，等離子體處理和表 面涂覆等方法。通過各種表面改性方法，可以調(diào)節(jié)鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入 材料的降解速率，同時(shí)可以提高其表面生物活性，利于骨損傷的愈合。綜上所述，本發(fā)明得到鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料具有如下優(yōu)點(diǎn)-1. 安全性鎂、鋅、鈣是人體內(nèi)必需元素，研究表明:鎂合金對(duì)于骨髓細(xì)胞的 生長沒有抑制作用，也沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞溶解現(xiàn)象。2. 可控的降解性。鎂合金的降解是通過表面腐蝕來實(shí)現(xiàn)的，因此具有比較恒 定的降解速率，這種降解速率可通過合金的元素成分和表面修飾來調(diào)節(jié)， 使得鎂合金的力學(xué)強(qiáng)度和降解速率實(shí)現(xiàn)很好的匹配。3. 合適的力學(xué)性能。鎂合金的彈性模量為41-45 GPa，在現(xiàn)有的骨外科內(nèi)固定 及植入材料材料(鈦合金(110-117 GPa)、鈷鉻合金230 GPa和不銹鋼 189-205 GPa)中接近人骨的模量(3-20 GPa)，能有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)， 利于骨的愈合。4. 合適的理化性能。鎂合金的密度為1.74-2.0g/cn^左右，與人體骨的密度(1.8-2.1g/cm3)極為接近，遠(yuǎn)低于其它金屬材料的密度，符合理想骨外科 內(nèi)固定及植入材料的要求。與現(xiàn)有的醫(yī)用可降解高分子材料相比，鎂合金 具有高的比強(qiáng)度和比剛度，在同樣的力學(xué)要求下可以減少骨外科內(nèi)固定及 植入材料的體積和質(zhì)量。5.資源豐富，價(jià)格低廉鎂錠的價(jià)格在2萬元/噸以下，鈦錠的價(jià)格在6萬元 /噸以上。發(fā)展鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料和其它的植入材料，對(duì)于我 國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)和鎂制品產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。 因此，本發(fā)明可降解鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料具有良好的生物相容性、優(yōu)良的力學(xué)性能和可控的降解速率，能夠滿足骨外科內(nèi)固定及植入材料的需要，特別適用于釘板系統(tǒng)和髓內(nèi)釘系統(tǒng)等。具體實(shí)施例下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例l:將鎂鋅鈣合金作為接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘材料，其重量百分比組成為 鋅的含量為5%;鈣的含量為3%，其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)。接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘?shù)目估瓘?qiáng)度為150MPa，屈服強(qiáng)度為120MPa，斷裂伸長率為5 %。將接接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘浸泡在0.9XNaCl溶液中浸泡一個(gè)月，根據(jù) 樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.40mm/年。 實(shí)施例2:將鎂鋅鈣鋁合金作為接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘材料，其重量百分比組成 為鋅的含量為3%;鈣的含量為1。X，鋁的含量為4%;其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)。接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘?shù)目估瓘?qiáng)度為250MPa，屈服強(qiáng)度為230MPa， 斷裂伸長率為9%。將接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘浸泡在0.9%NaCl溶液中浸泡 一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.25mm/年。 實(shí)施例3:將鎂鋅鈣一稀土合金作為接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘材料，其重量百分比組成為鋅的含量為2%;鈣2%;;釹1%;鈮3%，其余為鎂和不可避免的雜 質(zhì)。接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘?shù)目估瓘?qiáng)度為200MPa，屈服強(qiáng)度為180MPa， 斷裂伸長率為8%。將接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘浸泡在0.9XNaCl溶液中浸泡 一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.20mm/年。 實(shí)施例4:將鎂鋅鈣一稀土合金作為接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘材料，其重量百分比組成 為鋅的含量為2%;鈣1%;鋁3%，鋯1%;釹2%;鈮2%，其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)。接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘?shù)目估瓘?qiáng)度為250MPa，屈服強(qiáng)度 為230MPa，斷裂伸長率為10%。將接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘浸泡在0.9%NaCl 溶液中浸泡一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.16mm/年。實(shí)施例5:將鎂鋅轉(zhuǎn)鋁一稀土合金作為接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘材料，其重量百分比 組成為鋅的含量為3%;鈣1%;鋁8%;鋯3%;釹2%;，其余為鎂和不可避免的雜質(zhì)。接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘?shù)目估瓘?qiáng)度為270MPa，屈服強(qiáng)度為 310MPa，斷裂伸長率為7%。將接骨板與接骨釘或髓內(nèi)釘浸泡在0.9^NaCl溶 液中浸泡一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.1mm/年。實(shí)施例6:鎂合金材料同實(shí)施例l，骨外科內(nèi)固定及植入材料表面進(jìn)行磷化處理，磷 化液的配方為Na2HP04 (20g/l)+H3PO4 (7.4 ml)+NaN02(3 g/l)+NaN03 (1.84 g/l)， 在磷化液中浸泡300s，取出，用去離子水沖洗表面，自然干燥后得到表面磷化 的鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料。處理后骨外科內(nèi)固定及植入材料的抗拉強(qiáng) 度為160MPa，屈服強(qiáng)度為120MPa，斷裂伸長率為5%。將骨外科內(nèi)固定及植 入材料浸泡在0.9%NaCl溶液中浸泡一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.18mm/年。 實(shí)施例7:鎂合金材料同實(shí)施例2，骨外科內(nèi)固定及植入材料表面用仿生溶液的方法 進(jìn)行進(jìn)行羥基磷灰石涂層處理，仿生溶液的配方為Na2HP04 (5mM/l)+CaCl2(10mM/l)+NaHCO3(2mM/l)，在磷化液中浸泡24小時(shí)，取出， 用去離子水沖洗表面，自然干燥后得到羥基磷灰石涂層處理的鎂合金骨外科內(nèi) 固定及植入材料。處理后骨外科內(nèi)固定及植入材料的抗拉強(qiáng)度為270MPa，屈 服強(qiáng)度為250MPa，斷裂伸長率為9%。將骨外科內(nèi)固定及植入材料浸泡在0.9 XNaCl溶液中浸泡一個(gè)月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.1mm/年。 實(shí)施例8:鎂合金材料同實(shí)施例5，骨外科內(nèi)固定及植入材料表面首先用1%的醋酸 進(jìn)行清洗lmia,然后在去離子水中沖洗3次，干燥。將干燥后的接骨板和接 骨釘放入lX膠原溶液中浸泡15min，取出后自然干燥。表面膠原涂敷處理后 骨外科內(nèi)固定及植入材料的抗拉強(qiáng)度為270MPa，屈服強(qiáng)度為310MPa，斷裂 伸長率為7%。將骨外科內(nèi)固定及植入材料浸泡在0.9%NaCl溶液中浸泡一個(gè) 月，根據(jù)樣品的失重計(jì)算其降解速率為0.08mm/年。 實(shí)施例9:鎂合金材料選取實(shí)施例2和實(shí)施例7中的兩組材料，用于動(dòng)物試驗(yàn)。選取體 重40Kg的雄性小尾寒羊各2只，麻醉、消毒、鋪巾。分別在羊的左前腿依次 切開皮膚、皮下組織及肌肉筋膜，暴露撓骨，將撓骨人為骨折后，分別用上述 兩種接骨板和接骨釘，進(jìn)行固定，然后逐層縫合傷口。術(shù)后禁食6小時(shí)，術(shù)后 3天每日給于肌肉注射240萬單位的青霉素。術(shù)后3個(gè)月和6個(gè)月處死動(dòng)物，觀察植入部位。結(jié)果表明，接骨板和接骨釘具有良好的組織相容性，未見排異現(xiàn)象，固定部位沒有纖維包囊形成。3個(gè) 月時(shí)骨折部位愈合較好，接骨板和接骨釘已經(jīng)和組織完全融合，能見到材料開始降解。6個(gè)月時(shí)，骨折部位完全愈合，鎂合金明顯降解，且與組織愈合。其 中，實(shí)施例7中表面羥基磷灰石表面處理的接骨板和接骨釘具有更好的融合性， 對(duì)骨折愈合的程度沒有明顯的影響。結(jié)果因此，本發(fā)明可降解鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料通過元素調(diào)節(jié)， 表面改性，具有良好的生物相容性、優(yōu)良的力學(xué)性能和可控的降解速率，能夠 滿足骨外科內(nèi)固定及植入材料的需要，特別適用于釘板系統(tǒng)和髓內(nèi)釘系統(tǒng)等。
權(quán)利要求
1. 鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料，以純鎂為基材，添加有鈣元素，鋅元素，所述鋅含量為2-5％，鈣含量為1-3％。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料，所述鎂合金中 還含有鋁元素，所述鋁元素含量為3-8%
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料，所述鎂合 金中還含有稀土元素鋯、釹或/和鈮元素，所述鋯含量《3%，釹含量《3%，鈮 含量《3%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料，所述鎂合金表 面還經(jīng)過表面改性，所述表面改性方法包括表面鈍化處理，離子注入，表面 合金化，陽極氧化，化學(xué)轉(zhuǎn)化膜，等離子體處理和表面涂覆。
5. 權(quán)利要求1所述的鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料在釘板系統(tǒng)、髓內(nèi)釘 系統(tǒng)中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及“鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料”，以純鎂為基材，添加有鈣元素，鋅元素，所述鋅含量為2-5％，鈣含量為1-3％。本發(fā)明鎂合金骨外科內(nèi)固定及植入材料具有良好的生物相容性、優(yōu)良的力學(xué)性能和可控的降解速率，能夠滿足骨外科內(nèi)固定及植入材料的需要，特別適用于釘板系統(tǒng)和髓內(nèi)釘系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61L27/00GK101264339SQ20071006440
公開日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2007年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月14日
發(fā)明者尹慶水, 菡 崔, 余 張, 焦延鵬, 王本學(xué) 申請(qǐng)人:北京奧精醫(yī)藥科技有限公司;廣州麥邦生物科技有限公司