可降解的骨固定用镁合金植入材料及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种可降解的骨固定用镁合金植入材料及应用和制备方法，特别是 采用铸锭冶金及挤压乳制等方法可制备出满足生物体液环境下服役的该合金的板材、棒材 和型材，属于生物医用材料技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着生物医用植入材料的迅速发展，很多新型的医用植入材料被成功应 用到临床中，取得了很好了医疗效果。其中，在骨科医用材料中，传统的钛合金、不锈钢等金 属材料虽然已经获得广泛的临床应用，但是也表现出明显的应用局限性。如钛合金的弹性 模量比常规天然骨的弹性模量高出数十倍，造成的"应力屏蔽效应"会影响骨愈合和植入材 料的稳定性。不锈钢、钴基合金等其他金属植入材料会释放出一些对生物体有害的金属离 子，通过腐蚀或磨损造成金属离子溶入体液造成炎症反应。此外，这类医用植入材料属于生 物惰性材料，在用于固定骨、关节等部位损坏时，在组织痊愈后，需要进行二次手术拆除，从 而造成患者二次损伤。因此，新型的在生物体内可降解的骨固定材料成为植入材料未来应 用和发展的方向。
[0003] 目前临床应用的典型生物体内可降解的医用材料包括高分子材料、无机材料、金 属材料和这些材料组成的复合材料。这些材料具有各自的优良特性，但也存在不足之处。例 如，聚氨酯、聚乳酸等高分子材料在可降解生物医用材料中应用最广泛，但是其强度很低， 甚至很难达到常规金属材料强度的十分之一，很难在需要承受外力的骨科医用材料中获得 使用。羟基磷灰石、磷酸三钙等无机物有优良的骨组织相容性，但呈现脆性，成形性能差，很 难制成临床需要的不同形状、尺寸的骨固定材料。因此，可降解金属及金属基复合材料成为 有明显特色的一类新型骨固定医用材料。金属材料具有优良力学强度和塑性成形性，可以 被加工成各种尺寸形状的骨固定材料。通过金属材料中合金元素的选择、调整，可以获得无 生物毒性的全营养型医用植入材料，而针对骨固定材料中促进骨组织生长的元素，可以采 用具有针对性的合金添加元素，可以满足骨组织生长所需要的生物相容性和力学相容性。
[0004] 镁合金作为一类典型的可降解生物医用植入材料，具有特殊的优势，镁是一种具 有良好生物相容性和骨生长必备的元素，镁合金的弹性模量与人骨的弹性模量吻合，具有 作为骨科植入材料所要求的优良强度、塑性和成形加工性能等力学特性。
[0005] 目前，针对可降解的镁合金医用植入材料，有一些研究和开发，其中，"一种可降解 镁基骨科植入生物医用材料及制备方法"（专利【申请号】201110199171. 8)采用熔炼、浇注、 锻打、反向挤压的方法获得Mg-xZn-yCa-zAg的合金（x、y、z为不同含量百分数），用于骨科 植入生物医用材料，该材料的性能是断裂强度180MPa，屈服强度120MPa，弹性模量47GPa， 合金的强度低于200MPa，在骨科受力件上的应用会受到限制，主要用于骨组织修复。
[0006] "一种骨折内固定用可降解镁合金板、棒材及其制备方法"（专利【申请号】 201510090292.7)提供了一种高强度的用于骨折固定的镁合金板、棒材，该材料是在 Mg-3%Zn-〇. 5%Zr合金基础上加入Sr、Ca、Ag元素中的一种或两种组成，其中加入的Sr为 0~1. 5wt%，Ca为0~1.Owt%，Ag为0~1.Owt%。该合金的抗拉强度达到285MPa以 上，屈服强度达到234MPa以上，未公开合金的弹性模量数据，适合用于骨质受力固定材料， 并且加入的合金元素Ca、Sr等促进骨骼生长。
[0007] 针对骨科应用的镁合金植入材料而言，需要其具有较高的强度、优良的塑性成形 能力、与人骨匹配的弹性模量、合适的腐蚀降解速率等几项综合的物理、力学和化学性能， 尤其是镁合金植入材料的细胞毒性需要满足生物相容性要求。
[0008] 镁合金在生物体液环境中耐腐蚀性能一般较差，降解速率过快，产生氢气和较多 腐蚀产物，造成植入材料周边组织坏死或产生炎症，因此，一些针对镁合金耐蚀性能提高 的材料和制备方法被应用到医用植入材料上。专利"生物体内可降解高强韧耐蚀镁合金 内植入材料"（申请号201010204719. 9)、专利"一种高耐蚀性生物可降解镁合金的制备方 法"（申请号201410557462. 3)和专利"生物可降解Mg-Gd-Zn-Ag-Zr系镁合金及其制备方 法"（申请号201310105667. 3)等文献都给出通过添加稀土Nd、Gd或者金属Ca等合金元 素，提高合金耐腐蚀性能的方法，并且也取得了明显的降低腐蚀速率的效果。
[0009] 上述公开发表的镁合金，合金化元素种类多，是必会引起生物体内金属离子浓度 改变，进而影响生物相容性。特别是Zn元素的加入，虽然可以有效提高合金材料的强度，但 添加Zn元素的镁合金，在动物体液环境下的耐腐蚀性能差，如添加Zn的Mg-Zn合金，在生 物体液环境下会发生较快的腐蚀，产生Mg(0H)jPH2，造成皮下气泡或者体液pH值升高等危 害。而且Zn2+含量在体液中的浓度不宜超过170X10 6mol/L，比Mg2+、Ca2+离子含量低3个 数量级，否则细胞的耐受性会很差。因此，需要控制Zn的含量。
[0010] 通过调整镁基体中合金元素的种类及含量，添加细胞毒性低，并且可以改善镁合 金在体液中腐蚀性能的合金元素，并配合适当的加工、成形和热处理工艺，获得满足作为骨 固定生物医用镁合金的综合性能要求，成为生物医用植入材料领域亟需解决的问题。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种组分配比合理、具备抑菌、耐 蚀、低细胞毒性、生物力学性能优良的可降解的骨固定用镁合金植入材料及应用和制备方 法。本发明提供的Mg-Ag-Y合金材料，既保证了材料具有骨固定材料需要的优良综合力学 性能，而且可以在生物体液环境下获得降解。
[0012] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0013] Ag0.5%~4%，
[0014] Y0· 5%~4%，余量为Mg。
[0015] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0016] Agl%~3.5%，
[0017] Y1%~3. 5%，余量为Mg。
[0018] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料，包括下述组分按质量百分比组成：
[0019] Agl.5%~3%，
[0020] Y1.5%~3%，余量为Mg。
[0021] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料的制备方法，包括下述步骤：
[0022] 第一步，分别取金属镁、金属银、Mg-Y中间合金，按设计的Mg-Ag-Y合金组分质量 配比配料；
[0023] 第二步，先将金属镁熔化后，依次加入金属银和Mg-Y中间合金，熔化后搅拌均匀， 浇注，得到Mg-Ag-Y合金铸锭；
[0024] 第三步，将得到的Mg-Ag-Y合金铸锭在450°C~500°C退火16~24h，随炉冷却后； 再次加热至300°C~400°C进行热挤压，得到挤压态Mg-Ag-Y合金。
[0025] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料的制备方法，第一步中，金属镁选用纯 度多99. 9%的金属镁锭，金属银及Mg-Y中间合金的纯度均多99. 99% ;纯度采用质量百分 比标定。
[0026] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料的制备方法，第二步中，采用电阻炉加 热熔化，容器为高纯石墨坩埚，熔化温度700°C±10°C;浇注前，对合金熔体搅拌5~10分 钟，浇注温度680°C±10°C;铸模为钢模。
[0027] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料的应用，是将挤压态Mg-Ag-Y合金在 150°C~250°C退火24~72小时；或
[0028] 将挤压态Mg-Ag-Y合金，在450°C~500°C固溶处理6~8小时，水冷淬火，然后在 120°C~200°C时效处理24~72小时，获得用于骨固定骨钉、骨髓钉材料。
[0029] 本发明可降解的骨固定用镁合金植入材料的应用，是将挤压态Mg-Ag-Y合金在 350°C~450°C进行热乳，道次变形量控制在10%~30%，乳成厚度范围在0. 5mm~2. 0mm 的薄片，获得用于骨固定接骨板材料。
[0030] 本发明制备的棒材、型材和片材，通过机械加工、表面抛光处理后真空包装，SP可 获得最终的骨固定镁银钇合金植入材料备件；
[0031] 采用上述技术方案，可以成功制备出不同形状、不同尺寸的骨科植入材料镁银钇 合金。采用细胞毒性实验检测，该材料可兼具体液环境下的降解特性、优良的生物力学特 性，无细胞毒性的优良生物相容特性的优点。
[0032] 本发明采用在高纯镁基体中添加合金元素银（Ag)和钇（Y)两种合金元素来改善 和提高镁基体的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能，得到的Mg-Ag-Y合金可以用作为骨 科医用植入材料。
[0033] 其中，Ag具有长效抑菌作用，在医学抗菌实验证明，Ag可以明显减少金黄色葡萄 球菌和表皮葡萄球菌，这对骨科植入材料手术后抑制感染的效果有帮助，可以有效提高镁 合金的生物相容性。元素Ag添加在镁基体中，可以起到提高镁合金力学性能的作用，Ag在 一定含量下（15%以内）可以和镁基体形成固溶体，起到固溶强化效果，对镁基体的强度和 延伸率的同时提尚有好处。
[0034] 在