一种可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料

摘要

本发明公开了一种可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料。其组分及重量百分比为：纳米钙磷化合物，1％－10％，Zn1－6％，其余为Mg。以纳米羟基磷灰石棒状颗粒或β－磷酸钙为增强体，制备纳米钙磷化合物增强Mg－Zn复合材料。通过合金元素Zn强化镁基体，添加微量纳米钙磷化合物细化晶粒，进一步强化合金，改善合金塑性，提高抗蚀性；同时纳米颗粒还可有效地吸附基体腐蚀产物氢气，诱导形成保护层。由纳米钙磷化合物的添加量调控复合材料的降解速率，其降解产物Mg

说明书

技术领域

本发明涉及生物骨修复材料，特别是一种生物可降解的纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料。

背景技术

目前临床上广泛使用的骨折内固定材料是不锈钢和钛合金，但其应力屏蔽效应、有害离子溶出现象往往导致植入失败。特别是植入合金不降解，伤骨愈合后必需通过二次手术取出，大大增加了病人经济及心理上的负担和肉体的痛苦。因此，在骨损伤手术中，用可吸收材料代替传统金属材料越来越受到重视。以聚乳酸及其复合材料为代表的可降解聚合物近来在临床上得到应用。然而，该类材料力学性能指标偏低，成形加工困难、价格高，使其应用受到限制。为此，研发具有良好机械性能、加工性能、生物及力学相容性，并可体内降解的植入材料已成为当前生物材料前沿领域中的一大研究热点。

镁合金具备良好的力学性能、加工性能，同时其质量轻、弹性模量与骨相近，特别是生物腐蚀降解特性，直到最近才被认识是一种很有前途的可吸收骨修复替代材料，而且腐蚀产物镁是人体必需的微量元素，无毒、可被吸收或随尿液排出体外。因此，开发出新一代强度高、重量轻、模量低、可降解吸收的骨折内固定材料，不仅可支撑和固定伤体，引导新骨再生，而且可在骨折痊愈后自行降解吸收，杜绝二次手术，使人体硬组织修复替代材料领域的研究取得突破性进展。

目前的研究认为：镁合金种植体在体内的腐蚀降解可使种植体周围镁离子浓度增加，并因此刺激了成骨细胞的活性，6周时，镁合金周围骨转换活跃，18周后，形成的新骨区域明显大于可降解聚合物，显示了镁合金良好的生物相容性和骨引导性。

目前，国内外有关镁合金生物材料的研究主要集中在已有牌号镁合金上，一类为含2-10wt％Al，再添加微量的Zn和Mn元素的AZ系列镁合金，另一类为加入稀土元素和微量的锌、银和能够细化晶粒的锆元素的ZE和LAE系列镁合金，由于人体对植入材料的要求非常苛刻，合金元素Al会毒害神经系统，是导致神经错乱和老年痴呆的祸首；稀土元素可能会造成肝中毒；锆也有造成肺癌、肝癌、和鼻咽癌的潜在危险。因此，含上述元素的镁合金均不适宜植入人体，特别对于镁合金接骨器件这类需在短期内降解的材料，更容易在材料降解速度最快的时期造成有害离子浓度的瞬时超标，给人体留下潜在的隐患。

归纳对比目前国内外有关镁合金生物材料研究的力学性能及生物性能数据，不难发现：低Zn的Mg-Zn-RE系列合金具有相对高的强度(大于250MPa)和优良的塑性(大于25％)，适于深加工成各种形状的骨固定器材，并由于增强相I相-Mg₃Zn₆Y的存在而具有较好的抗蚀性。遗憾的是合金成分中仍含有稀土成分Y，使合金的生物安全性受到置疑。在目前研究中最为生物安全的合金成分设计为Mg-1Ca合金，其挤压态抗拉强度239.63±7.21，延展率10.63±0.64(％)，体外腐蚀速率1.74mm/yr，体内2.28±0.13mg/mm²/yr。显然，作为骨固定材料其强度偏低，特别是较低的延展性限制了产品的进一步加工成型。此外，体内外腐蚀速率也有待进一步降低。AZ91D-HA复合材料的抗拉强度264.3±10，硬度(HV_0.1)73，弹性模量40GPa，浸泡腐蚀速率2.0-3.2mm/yr；电化学腐蚀速率1.25±0.16mm/yr。这些性能基本复合骨折固定材料的要求，但微米级增强颗粒局部团聚，分布不均匀使复合材料力学性能指标低于基体。尽管文章没有给出材料延展性的数据，而我们知道市售铸态AZ91D合金的延伸率只有3％，同样不适宜加工。而生物安全Mg-Zn-Mn-Ca合金的抗拉强度仅为180MPa，延伸率14％，作为骨折固定材料的力学性能偏低。

显然，进行生物安全性的合金成分设计、提高镁合金的塑性变形能力和强度、控制其腐蚀降解速度，是开发可生物降解的镁合金骨折内固定材料必须解决的问题。本发明提出用与骨中无机质具有相同成分、结构的纳米羟基磷灰石(n-HA)或β-Ca₃(PO₄)₂作为Mg-Zn合金的功能的增强体及晶粒细化的核心，通过纳米颗粒形状和添加量调控复合材料的降解速率，同时采用双螺旋高剪切熔体搅拌技术制备材料，使纳米增强颗粒均匀分布在合金基体上，充分发挥细化晶粒和增强、增韧的作用，得到纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料。相关研究国内外尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种不含有毒元素，并具有适宜的力学性能和降解速率，满足骨折内固定器件的加工和行使功能对材料的要求的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料。

本发明为实现上述目的设计了一种生物安全的可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料。本发明的材料组分按重量百分比为：纳米羟基磷灰石(HA)或β-Ca₃(PO₄)₂含量为1-10％，Zn含量为1-6％，其余为Mg；所述原料Mg的纯度大于等于99.99％；所述原料Zn的纯度大于等于99.99％。

优选所述纳米羟基磷灰石为直径10-15nm，长100-200纳米的短棒。

优选所述β-Ca₃(PO₄)₂为直径50-80nm的球状颗粒。

生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料的制备方法，有以下步骤：

a)原材料的准备，取1-6％Zn、1-10％纳米羟基磷灰石或β-Ca₃(PO₄)₂，其余为Mg；

b)将Zn、Mg放入石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在700-800℃温度下加热5-20min，制得Mg-Zn合金熔体；

c)将纳米羟基磷灰石或β-Ca₃(PO₄)₂与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在700℃-800℃，强力搅拌15-45分钟后，沉积至结晶器中，得到直径50-70mm的圆棒；

d)材料的挤压及热处理，将φ50-70mm的圆棒加热至400-450℃，保温5-10小时后，将其热挤压至φ8-12mm；然后在400-450℃固溶处理1-3h，100-200℃之间进行时效热处理，时间为10～24h。

本发明的优越性在于：本发明以人体必须的微量元素Zn为合金添加元素，提高镁的强度和耐腐蚀性；特别添加纳米钙磷化合物颗粒细化晶粒，在进一步强化Mg-Zn合金基体的同时，n-HA(或β-Ca₃(PO₄)₂)还可有效地吸附合金基体腐蚀产生的氢气，并在表面诱导形成Ca-P化合物保护层，控制合金的降解速率。所发明材料的力学性能满足：拉伸强度：250-300MPa；弹性模量：40-45GPa；延展性20-25％；降解速率：体外，1.0mm/天，体内0.1mm/天。能够加工成骨折内固定器件—骨钉和骨板，满足人体承重骨修复材料的临床使用要求。

具体实施方式

实施例1：

将4克Zn，194克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚中，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将2克n-HA与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：n-HA 1％、Zn 2％、Mg97％。

实施例2：

将4克Zn，186克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米HA与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：n-HA 5％、Zn 2％、Mg93％。

实施例3：

将4克Zn，176克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将20克n-HA与Mg-Zn合金熔体(总量为200g)直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：n-HA 10％、Zn 2％、Mg88％。

实施例4：

将4克Zn，194克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将2克纳米β-Ca₃(PO₄)₂与Mg-Zn合金熔体(总量为200g)直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：纳米β-Ca₃(PO₄)₂1％、Zn 2％、Mg97％。

实施例5：

将4克Zn，186克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米β-Ca₃(PO₄)₂与Mg-Zn合金熔体(总量为200g)直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：纳米β-Ca₃(PO₄)₂5％、Zn 2％、Mg93％。

实施例6：

将4克Zn，176克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将20克纳米β-Ca₃(PO₄)₂与Mg-Zn合金熔体(总量为200g)直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为10h。

得到的生物可降解纳米钙磷化合物增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：纳米β-Ca₃(PO₄)₂10％、Zn 2％、Mg88％。

实施例7：

将8克Zn，182克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米HA与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为15h。

得到的生物可降解n-HA增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：n-HA 5％、Zn 4％、Mg91％。

实施例8：

将8克Zn，182克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米β-Ca₃(PO₄)与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，170℃进行时效热处理，时间为15h。

得到的生物可降解n-HA增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：β-Ca₃(PO₄)5％、Zn 4％、Mg91％。

实施例9：

将12克Zn，178克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米HA与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，180℃进行时效热处理，时间为15h。

得到的生物可降解n-HA增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：n-HA 5％、Zn 6％、Mg89％。

实施例10：

将12克Zn，178克Mg放入熔炼炉的石墨坩埚，抽真空至1×10^-2Pa，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃温度下加热15min，制得Mg-Zn合金熔体；

将10克纳米β-Ca₃(PO₄)与Mg-Zn合金熔体直接浇入到双螺旋流变制浆机中，通入BF₆与CO₂混合气体作保护，在750℃，强力搅拌30分钟后，沉积至结晶器中，得到直径60mm的圆棒；

材料的挤压及热处理：将φ60mm的圆棒加热至425℃，保温5小时后，将其热挤压至φ8mm。然后在400℃固溶处理1h，180℃进行时效热处理，时间为15h。

得到的生物可降解n-HA增强镁锌合金骨折内固定材料，组分重量百分比为：β-Ca₃(PO₄)5％、Zn 6％、Mg89％。