專利名稱：一種可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物骨修復(fù)材料，特別是一種生物可降解的納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金 骨折內(nèi)固定材料。
背景技術(shù)：
目前臨床上廣泛使用的骨折內(nèi)固定材料是不銹鋼和鈦合金，但其應(yīng)力屏蔽效應(yīng)、有害 離子溶出現(xiàn)象往往導致植入失敗。特別是植入合金不降解，傷骨愈合后必需通過二次手術(shù) 取出，大大增加了病人經(jīng)濟及心理上的負擔和肉體的痛苦。因此，在骨損傷手術(shù)中，用可 吸收材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬材料越來越受到重視。以聚乳酸及其復(fù)合材料為代表的可降解聚合 物近來在臨床上得到應(yīng)用。然而，該類材料力學性能指標偏低，成形加工困難、價格高， 使其應(yīng)用受到限制。為此，研發(fā)具有良好機械性能、加工性能、生物及力學相容性，并可 體內(nèi)降解的植入材料已成為當前生物材料前沿領(lǐng)域中的一大研究熱點。
鎂合金具備良好的力學性能、加工性能，同時其質(zhì)量輕、彈性模量與骨相近，特別是 生物腐蝕降解特性，直到最近才被認識是一種很有前途的可吸收骨修復(fù)替代材料，而且腐 蝕產(chǎn)物鎂是人體必需的微量元素，無毒、可被吸收或隨尿液排出體外。因此，開發(fā)出新一 代強度高、重量輕、模量低、可降解吸收的骨折內(nèi)固定材料，不僅可支撐和固定傷體，引 導新骨再生，而且可在骨折痊愈后自行降解吸收，杜絕二次手術(shù)，使人體硬組織修復(fù)替代 材料領(lǐng)域的研究取得突破性進展。
目前的研究認為鎂合金種植體在體內(nèi)的腐蝕降解可使種植體周圍鎂離子濃度增加， 并因此刺激了成骨細胞的活性，6周時，鎂合金周圍骨轉(zhuǎn)換活躍，18周后，形成的新骨區(qū) 域明顯大于可降解聚合物，顯示了鎂合金良好的生物相容性和骨引導性。
目前，國內(nèi)外有關(guān)鎂合金生物材料的研究主要集中在已有牌號鎂合金上， 一類為含 2-10wt%Al，再添加微量的Zn和Mn元素的AZ系列鎂合金，另一類為加入稀土元素和微量的 鋅、銀和能夠細化晶粒的鋯元素的ZE和LAE系列鎂合金，由于人體對植入材料的要求非常 苛刻，合金元素A1會毒害神經(jīng)系統(tǒng)，是導致神經(jīng)錯亂和老年癡呆的禍首；稀土元素可能會 造成肝中毒；鋯也有造成肺癌、肝癌、和鼻咽癌的潛在危險。因此，含上述元素的鎂合金 均不適宜植入人體，特別對于鎂合金接骨器件這類需在短期內(nèi)降解的材料，更容易在材料 降解速度最快的時期造成有害離子濃度的瞬時超標，給人體留下潛在的隱患。
歸納對比目前國內(nèi)外有關(guān)鎂合金生物材料研究的力學性能及生物性能數(shù)據(jù)，不難發(fā) 現(xiàn)低Zn的Mg-Zn-RE系列合金具有相對高的強度(大于250MPa)和優(yōu)良的塑性(大于 25%)，適于深加工成各種形狀的骨固定器材，并由于增強相I相-Mg3ZneY的存在而具有較 好的抗蝕性。遺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 目前研究中最為生物安全的合金成分設(shè)計為Mg-lCa合金，其擠壓態(tài)抗拉強度239.63±7. 21，延展率10. 63 ± 0. 64 (%)，體外腐蝕速率1. 74 mm/yr，體內(nèi)2. 28土0. 13 mg/mm7yr。 顯然，作為骨固定材料其強度偏低，特別是較低的延展性限制了產(chǎn)品的進一步加工成型。 此外，體內(nèi)外腐蝕速率也有待進一步降低。AZ91D-HA復(fù)合材料的抗拉強度264.3土10,硬 度(HV。.》73，彈性模量40GPa，浸泡腐蝕速率2.0-3. 2mm/yr ;電化學腐蝕速率 1.25士0. 16mm/yr。這些性能基本復(fù)合骨折固定材料的要求，但微米級增強顆粒局部團聚， 分布不均勻使復(fù)合材料力學性能指標低于基體。盡管文章沒有給出材料延展性的數(shù)據(jù)，而 我們知道市售鑄態(tài)AZ91D合金的延伸率只有3%，同樣不適宜加工。而生物安全Mg-Zn-Mn-Ca 合金的抗拉強度僅為180MPa，延伸率14%，作為骨折固定材料的力學性能偏低。 顯然，進行生物安全性的合金成分設(shè)計、提高鎂合金的塑性變形能力和強度、控制其腐蝕 降解速度，是開發(fā)可生物降解的鎂合金骨折內(nèi)固定材料必須解決的問題。本發(fā)明提出用與 骨中無機質(zhì)具有相同成分、結(jié)構(gòu)的納米羥基磷灰石(n-HA)或e-Ca3 (P04) 2作為Mg-Zn合金 的功能的增強體及晶粒細化的核心，通過納米顆粒形狀和添加量調(diào)控復(fù)合材料的降解速率, 同時采用雙螺旋高剪切熔體攪拌技術(shù)制備材料，使納米增強顆粒均勻分布在合金基體上， 充分發(fā)揮細化晶粒和增強、增韌的作用，得到納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材 料。相關(guān)研究國內(nèi)外尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不含有毒元素，并具有適宜的力學性能和降解速率，滿足骨 折內(nèi)固定器件的加工和行使功能對材料的要求的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合 金骨折內(nèi)固定材料。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的設(shè)計了一種生物安全的可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金 骨折內(nèi)固定材料。本發(fā)明的材料組分按重量百分比為納米羥基磷灰石(HA)或e- Ca3 (P04) 2含量為1-10%， Zn含量為l-6%，其余為Mg;所述原料Mg的純度大于等于99.99X; 所述原料Zn的純度大于等于99. 99%。
優(yōu)選所述納米羥基磷灰石為直徑10-15nm，長IOO-200納米的短棒。
優(yōu)選所述e- Ca3 (P04) 2為直徑50-80nm的球狀顆粒。
生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料的制備方法，有以下步驟
a) 原材料的準備，取l-6%Zn、 1-10%納米羥基磷灰石或0-Ca3 (P04) 2，其余 為Mg;
b) 將Zn、 Mg放入石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa，通入B&與CCV混合氣體作保 護，在700-800r溫度下加熱5-20min，制得Mg-Zn合金熔體；
c) 將納米羥基磷灰石或P-Ca3 (P04) 2與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變 制漿機中，通入BF6與C02混合氣體作保護，在70(TC-800°C，強力攪拌15-45 分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑50-70ran的圓棒；d)材料的擠壓及熱處理，將小50-70咖的圓棒加熱至400-450°C，保溫5-10小 時后，將其熱擠壓至4)8-12咖；然后在400-450。C固溶處理1-3h， 100-20CTC 之間進行時效熱處理，時間為10 24h。 本發(fā)明的優(yōu)越性在于本發(fā)明以人體必須的微量元素Zn為合金添加元素，提高鎂的強 度和耐腐蝕性；特別添加納米鈣磷化合物顆粒細化晶粒，在進一步強化Mg-Zn合金基體的 同時，n-HA (或P- Ca3 (P04) 2)還可有效地吸附合金基體腐蝕產(chǎn)生的氫氣，并在表面誘 導形成Ca-P化合物保護層，控制合金的降解速率。所發(fā)明材料的力學性能滿足拉伸強度 250-300 MPa;彈性模量40-45GPa;延展性20-25%;降解速率體外，1.0咖/天，體內(nèi) 0.1 mrn/天。能夠加工成骨折內(nèi)固定器件一骨釘和骨板，滿足人體承重骨修復(fù)材料的臨床 使用要求。
具體實施方式
實施例1:
將4克Zn， 194克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝中，抽真空至1Xl(TPa，通入B&與C02 混合氣體作保護，在750。C溫度下加熱15mim制得Mg-Zn合金熔體；
將2克n-HA與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入BFe與C(V混合 氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑60咖的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60mm的圓棒加熱至425'C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 》8inm。然后在40(TC固溶處理lh， 17(TC進行時效熱處理，時間為10h。得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為n-HA 1%、 Zn 2%、 Mg97%。 實施例2:
將4克Zn， 186克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X 1(TPa，通入BF6與C(V混 合氣體作保護，在750'C溫度下加熱15min,制得Mg-Zn合金熔體；
將10克納米HA與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入BFe與C02 混合氣體作保護，在750。C,強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑60mm的圓 棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60ram的圓棒加熱至425'C，保溫5小時后，將其熱擠壓至
4 8咖。然后在40(TC固溶處理lh， 170。C進行時效熱處理，時間為10h。
得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為n-HA 5%、 Zn 2%、 Mg93%。 實施例3:
將4克Zn， 176克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X 10—2Pa，通入BF6與C(V混合氣體作保護，在75(TC溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將20克n-HA與Mg-Zn合金熔體(總量為200g)直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入 BFe與C(V混合氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑 60mm的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60mm的圓棒加熱至425。C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 (J)8mm。然后在40(TC固溶處理lh， 170。C進行時效熱處理，時間為10h。
得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為n-HA 10%、 Zn 2%、 Mg88%。
實施例4: .
將4克Zn， 194克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa，通入BF6與C(V混 合氣體作保護，在750。C溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將2克納米P-Ca3 (P04) 2與Mg-Zn合金熔體(總量為200g)直接澆入到雙螺旋流變制 漿機中，通入BF6與C02混合氣體作保護，在75(TC,強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器 中，得到直徑60,的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60mm的圓棒加熱至425'C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 4)8mm。然后在400°C固溶處理lh， 170。C進行時效熱處理，時間為10h。
得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為納米P-Ca3 (P04) 21%、 Zn 2%、 Mg97%。 實施例5:
將4克Zn， 186克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X 10，a，通入BFe與C(V混 合氣體作保護，在750'C溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將IO克納米e-Ca3 (P04) 2與Mg-Zn合金熔體(總量為200g)直接澆入到雙螺旋流變制 漿機中，通入BF0與C(V混合氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器 中，得到直徑60mm的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將cb60mm的圓棒加熱至425。C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 4)8min。然后在40(TC固溶處理lh, 17(TC進行時效熱處理，時間為10h。
得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為納米e-Ca3 (P04) 2 5%、 Zn 2%、 Mg93%。 實施例6:
將4克Zn， 176克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X 10,a，通入BF6與C(V混合氣體作保護，在75(TC溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將20克納米e -Ca3 (P04) 2與Mg-Zn合金熔體(總量為200g)直接澆入到雙螺旋流變制 漿機中，通入BF6與C02混合氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器 中，得到直徑60mm的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將小60mra的圓棒加熱至425。C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 d)8mm。然后在40CTC固溶處理lh， 17(TC進行時效熱處理，時間為10h。
得到的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比 為納米P-Ca3 (P04) 210%、 Zn 2%、 Mg88%。 實施例7:
將8克Zn， 182克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa,通入BFe與C(V混 合氣體作保護，在750'C溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將10克納米HA與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入BFe與C02 混合氣體作保護，在75CTC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑60mm的圓 棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60ram的圓棒加熱至425t:，保溫5小時后，將其熱擠壓至
4)8咖。然后在40(TC固溶處理lh， 17(TC進行時效熱處理，時間為15h。
得到的生物可降解n-HA增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比為n-HA5%、 Zn 4%、 Mg91%。 實施例8:
將8克Zn， 182克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa，通入BF6與C(V混 合氣體作保護，在750。C溫度下加熱15mim制得Mg-Zn合金熔體；
將10克納米P-Ca3 (P04)與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入 BFe與C(V混合氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑 60鵬的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將4)60mm的圓棒加熱至425"C，保溫5小時后，將其熱擠壓至
4>8咖。然后在40(TC固溶處理lh， 170。C進行時效熱處理，時間為15h。
得到的生物可降解n-HA增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比為Ca3 (P04) 5%、 Zn 4%、 Mg91%。 實施例9:
將12克Zn， 178克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa，通入BFe與C02混合氣體作保護，在75(TC溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將10克納米HA與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入BFs與C02 混合氣體作保護，在75(TC，強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑60nun的圓 棒；
材料的擠壓及熱處理將小60mm的圓棒加熱至425'C，保溫5小時后，將其熱擠壓至
d)8鵬。然后在40(TC固溶處理lh， 180。C進行時效熱處理，時間為15h。
得到的生物可降解n-HA增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比為n-HA5%、 Zn 6%、 Mg89%。 實施例10:
將12克Zn， 178克Mg放入熔煉爐的石墨坩堝，抽真空至1X10—2Pa，通入B&與C02 混合氣體作保護，在75(TC溫度下加熱15min，制得Mg-Zn合金熔體；
將10克納米&-Ca3 (P04)與Mg-Zn合金熔體直接澆入到雙螺旋流變制漿機中，通入 朋6與C(V混合氣體作保護，在75(TC,強力攪拌30分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑 60nini的圓棒；
材料的擠壓及熱處理將小60mra的圓棒加熱至425'C，保溫5小時后，將其熱擠壓至 小8mm。然后在40(TC固溶處理lh， 18(TC進行時效熱處理，時間為15h。
得到的生物可降解n-HA增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，組分重量百分比為Ca3 (P04) 5%、 Zn 6%、 Mg89%。
權(quán)利要求
1、一種生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，其特征在于所述材料組分按重量百分比為納米羥基磷灰石(n-HA)或β-Ca3(PO4)21-10％；Zn1-6％，Zn的純度大于等于99.99％；其余為Mg，Mg的純度大于等于99.99％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，其 特征在于所述納米HA為直徑10-15nm，長100-200納米的短棒。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料，其 特征在于所述e- Ca3 (P04) 2為直徑50-80nm的球狀顆粒。
4、 如權(quán)利要求l所述的生物可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料的制備 方法，有以下步驟a) 原材料的準備，取l-6%Zn、 1-10M納米羥基磷灰石或P-Ca3 (P04) 2，其余為 Mg;b) 將Zn、 Mg放入石墨坩堝，抽真空至lXl(TPa，通入B&與CCV混合氣體作保護， 在700-800。C溫度下加熱5-20min，制得Mg-Zn合金熔體；c) 將納米羥基磷灰石或e -Ca3 (P04) 2與上述b)制得的Mg-Zn合金熔體直接澆入到 雙螺旋流變制漿機中，抽真空后通入B&與C02混合氣體作保護，在700"-800 'C，強力攪拌15-45分鐘后，沉積至結(jié)晶器中，得到直徑50ram-70ram的圓棒；d) 材料的擠壓及熱處理，將c)制得的50,-70ram圓棒加熱至400-45(TC ，保溫5-10 小時后，熱擠壓至4>8-12咖；然后在400-45(TC固溶處理1-3h， 100-200。C之間 進行時效熱處理，時間為10 24h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可降解納米鈣磷化合物增強鎂鋅合金骨折內(nèi)固定材料。其組分及重量百分比為納米鈣磷化合物，1％-10％，Zn1-6％，其余為Mg。以納米羥基磷灰石棒狀顆?；颚?磷酸鈣為增強體，制備納米鈣磷化合物增強Mg-Zn復(fù)合材料。通過合金元素Zn強化鎂基體，添加微量納米鈣磷化合物細化晶粒，進一步強化合金，改善合金塑性，提高抗蝕性；同時納米顆粒還可有效地吸附基體腐蝕產(chǎn)物氫氣，誘導形成保護層。由納米鈣磷化合物的添加量調(diào)控復(fù)合材料的降解速率，其降解產(chǎn)物Mg²⁺、Zn²⁺、Ca²⁺等為人體必須的微量元素。本發(fā)明的材料不含有毒元素，具有良好的力學性能、降解速率和生物相容性，能夠成為新一代可降解骨折內(nèi)固定材料，避免二次手術(shù)，滿足臨床的使用要求。
文檔編號A61L27/04GK101411891SQ200810153658
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者劉德寶, 葉新羽, 臣 由, 陳民芳 申請人:天津理工大學