CN106086562B - 生物体内可降解吻合钉及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及组织工程技术领域，尤其涉及一种生物体内可降解吻合钉及其生产工艺，吻合钉按质量百分比由以下组分组成：Zn 2‑6％，Mn 2‑5％，Sn 0.1‑1％，Ag 1.5‑2％，HA粉0.5‑2%，余量为Mg。本发明一种生物体内可降解吻合钉可以在生物体内自然降解，达到医疗效果后在一定的时间内会从体内降解，避免了二次手术给病人造成经济和身体的负担；在成分设计上避免了使用Al和稀土金属，从材料的选择上保证了材料的生物安全性；具有高耐蚀性、良好的塑性变形能力和良好的生物相容性，满足内植入材料对腐蚀速率的要求，并且该材料无明显的细胞毒性，血液相容性好，可满足内植入材料对生物相容性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及组织工程技术领域，尤其涉及一种生物体内可降解吻合钉及其生产工艺。
背景技术
医用金属材料未来仍将在生物材料领域占有重要地位，这是因为医用金属材料具备优良的机械性能。316L不锈钢、钛及钛合金和Co-Cr合金等以优异的力学性能而得到了广泛的应用。但是不锈钢和钛合金等现有金属植入材料中存在一个普遍问题是与生物骨的力学相容性差。不锈钢、钛合金等的抗拉强度比天然骨高5 倍以上，弹性模量更是高10 倍以上。这样的材料植入人体后可对局部骨组织产生很大的“应力遮挡”效应。由于基体骨所受应力刺激下降，骨改建出现负平衡，导致骨吸收增加，骨形成减少，诱发遮挡性骨质缺失。同时这些材料当作为临时性植入材料如血管支架、骨钉、骨板、骨针时，需要进行二次手术取出，对病人造成经济和身体的负担。
为了解决上述问题，有关技术人员对生物可降解吸收材料进行了研发，就目前而言，生物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，但是由于目前所用聚合物材料本身的性质影响，如力学性能偏低、加工困难、体内分解产生较多酸性物且易引发炎症和肿胀的问题，限制了其应用；陶瓷材料的塑韧性差，用这种材料制成体积很小的血管支架材料是非常困难的，废品率极高。
镁是目前所有金属材料中生物力学性能与人体骨最接近的金属材料。镁合金的弹性约为45GPa，比目前广泛应用的生物材料钛合金(100GPa) 更接近人骨的弹性模量(20GPa)，能有效降低“应力遮挡效应”，促进骨的愈合。同时镁合金具有较高的屈服强度，可以承受较大的载荷，应用于骨组织承载部位、也可以应用于血管内支架，起到支撑血管的作用。但是，传统的镁合金存在耐蚀性差、塑性变形能力差。因此，开发塑性变形能力强、高耐蚀性的生物医用镁合金以有效降低其在人体中的腐蚀降解速率对于促进镁合金在生物医学领域的应用至关重要。
合金化是提高镁合金塑性变形能力、提高镁合金耐蚀性能、解决其腐蚀降解速率过快问题的有效途径。研究发现，铝加入镁合金中可提高合金的耐蚀性能，起到固溶强化和沉淀强化作用，但Al 元素会对人体健康产生危害、不宜用于生物医用镁合金材料。另外，稀土元素的加入也可显著改善镁合金的耐腐蚀性能，且无应力腐蚀倾向，但是有报道表明，稀土元素容易在脑中富集，缺乏一定的生物安全性。目前，研究较多的满足生物相容性要求的多元镁合金有Mg-Mn-Sr-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Mn-Ca 等，但上述这些材料的综合性能依然有待提高。
发明内容
本发明的目的是针对目前吻合钉材料不能兼顾良好的塑性变形能力和较高耐蚀性的问题，提供一种具有高耐蚀性、良好的塑性变形能力和良好的生物相容性的生物体内可降解吻合钉及其生产工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种生物体内可降解吻合钉，按质量百分比由以下组分组成：
Zn 2-6％，Mn 2-5％，Sn 0.1-1％，Ag 1.5-2％，HA粉 0.5-2%，余量为Mg。
作为优选，所述HA粉为纳米棒状HA粉，其粒径为20-60nm。
羟基磷灰石（HA）作为天然骨的一种成分，在人体环境内的溶解度很低，其在镁合金中的添加，一方面可以调节镁合金支架的机械性能，使支架的机械性能与生物体不同部位的骨的力学性能相匹配，缓解或避免应力遮挡效应，另一方面羟基磷灰石的添加，有利于骨细胞的生长和增殖，在一定程度上可以提高镁合金支架的耐蚀性能。本发明中选用的HA为南京埃普瑞纳米材料有限公司提供的货号为MH01的HA。
作为优选，所述Zn的纯净度在99.99%以上。
锌（Zn）是一种镁合金中比较常见的合金元素，可以提高铸件的抗蠕变性能，可以增加熔体的流动性，弱晶粒细化剂，有形成显微缩松倾向，有沉淀强化作用。
作为优选，所述Sn的纯净度在99.99%以上。
锡（Sn）可以提高镁合金的耐腐蚀性和强度。
作为优选，所述Ag的纯净度在99.99%以上。
银（Ag）在Mg中的固溶度最大可达到15%，当Ag溶入Mg中后，间隙式固溶原子造成非球形对称畸变，从而产生很强的固溶强化效果和时效强化效果，镁合金中Ag的加入能够比较显著地提高合金的抗拉伸强度和屈服强度。
作为优选，所述Mg的纯净度在99.99%以上。
作为优选，所述Mn的纯净度在99.99%以上。
锰（Mn）在Mg中的固溶度小，不与Mg形成化合物。Mn可以细化晶粒，提高合金的焊接性能。但是对合金的强化作用比较小。在其他铸造镁合金或变形镁合金中，往往加入少量的Mn ，提高镁合金的耐蚀性能。Mn能与严重损害镁合金耐蚀性能的杂质Fe形成高熔点化合物而沉淀出来，细化沉淀产物，增大蠕变抗力，提高合金的耐蚀性能。
一种上述的生物体内可降解吻合钉的生产工艺，包括以下步骤：
1.镁合金的制备工艺：
1）按比例称取各组分；
2）将上述称取的各组分在100℃的烘箱中烘干1-2小时；
3）将称取的Zn、Mn、Sn、Ag和Mg加入至石墨坩埚，抽真空后，通入BF3和CO2的混合气体作为保护气体，在700-800℃的条件下使各组分完全溶解后，保持10-20min；
4）将HA粉加入到熔炼有Zn、Mn、Sn、Ag和Mg的石墨坩埚中，并搅拌均匀，得熔炼溶液；
5）将熔炼溶液倒入预先烘干的石墨模具中，得到镁合金锭；
2.镁合金的热处理工艺：
1）将镁合金的制备工艺中得到的镁合金锭在540℃的条件下固溶10小时；
2）将固溶后的镁合金锭放入预先预热的模具中，预热温度为220-480℃，在300-500℃的温度下挤压成型材，即吻合钉；
3）将步骤2）中的型材在500℃的条件下进行退火处理；
4）对步骤3）中退火的处理的型材进行碱热处理。
作为优选，所述碱液处理包括如下步骤：
1）在NaHCO3-NaOH-Mg(OH)2溶液（pH9.3）中浸泡24小时，取出自然风干；
2）在773K保温10h，空冷。
本发明的优点及有益效果是：
(1) 本发明一种生物体内可降解吻合钉可以在生物体内自然降解，达到医疗效果后在一定的时间内会从体内降解，避免了二次手术给病人造成经济和身体的负担。
(2) 本发明一种生物体内可降解吻合钉在成分设计上避免了使用Al和稀土金属，从材料的选择上保证了材料的生物安全性。
(3) 本发明一种生物体内可降解吻合钉具有高耐蚀性、良好的塑性变形能力和良好的生物相容性，满足内植入材料对腐蚀速率的要求，并且该材料无明显的细胞毒性，血液相容性好，可满足内植入材料对生物相容性的要求。
（4）本发明一种生物体内可降解吻合钉采用羟基磷灰石（HA），一方面可以调节镁合金支架的机械性能，使支架的机械性能与生物体不同部位的骨的力学性能相匹配，缓解或避免应力遮挡效应，另一方有利于骨细胞的生长和增殖，在一定程度上可以提高镁合金支架的耐蚀性能。
（5）本发明一种生物体内可降解吻合钉的生产工艺，在热处理过程中，在型材挤压成型后，对型材在500℃进行退火处理，从内部提高了镁合金的耐腐蚀性；后续的碱热处理从外部提高了镁合金的耐腐蚀性。
具体实施方式
现在对本发明作进一步详细的说明。
一种生物体内可降解吻合钉，按质量百分比其组分组成见下表：
一种生物体内可降解吻合钉的生产工艺，包括以下步骤：
1）按比例称取各组分；
2）将上述称取的各组分在100℃的烘箱中烘干1-2小时；
3）将称取的Zn、Mn、Sn、Ag和Mg加入至石墨坩埚，抽真空后，通入BF3和CO2的混合气体作为保护气体，在700-800℃的条件下使各组分完全溶解后，保持10-20min；
4）将HA粉加入到熔炼有Zn、Mn、Sn、Ag和Mg的石墨坩埚中，并搅拌均匀，得熔炼溶液；
5）将熔炼溶液倒入预先烘干的石墨模具中，得到镁合金锭；
2.镁合金的热处理工艺：
1）将镁合金的制备工艺中得到的镁合金锭在540℃的条件下固溶10小时；
2）将固溶后的镁合金锭放入预先预热的模具中，预热温度为220-480℃，在300-500℃的温度下挤压成型材，即吻合钉；
3）将步骤2）中的型材在500℃的条件下进行退火处理；
4）对步骤3）中退火的处理的型材在NaHCO3-NaOH-Mg(OH)2溶液（pH9.3）中浸泡24小时，取出自然风干；
5）将步骤4）得到的型材在773K保温10h，空冷，得生物体内可降解吻合钉。
对各实施例获得的吻合钉型材进行力学性能、耐腐蚀性能和细胞毒性进行测试，其结构如下表：
本发明提供的吻合钉不仅具有良好的力学性能，更具有优异的耐蚀性能，解决了目前吻合钉材料不能兼顾良好的塑性变形能力和较高耐蚀性的问题，而且降解产物无毒，生物相容性好，在生物医学领域具有较大的潜在应用。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.一种生物体内可降解吻合钉，按质量百分比由以下组分组成：
Zn 2-6%
Mn 2-5%
Sn 0.1-1%
Ag 1.5-2%
HA粉 0.5-2%
余量为Mg；
所述的生物体内可降解吻合钉的生产工艺，包括以下步骤：
一、镁合金的制备工艺：
1）按比例称取各组分；
2）将上述称取的各组分在100℃的烘箱中烘干1-2小时；
3）将称取的Zn、Mn、Sn、Ag和Mg加入至石墨坩埚，抽真空后，通入BF3和CO2的混合气体作为保护气体，在700-800℃的条件下使各组分完全溶解后，保持10-20min；
4）将HA粉加入到熔炼有Zn、Mn、Sn、Ag和Mg的石墨坩埚中，并搅拌均匀，得熔炼熔液；
5）将熔炼熔液倒入预先烘干的石墨模具中，得到镁合金锭；
二、镁合金的热处理工艺：
1）将镁合金的制备工艺中得到的镁合金锭在540℃的条件下固溶10小时；
2）将固溶后的镁合金锭放入预先预热的模具中，预热温度为220-480℃，在300-500℃的温度下挤压成型材，即吻合钉；
3）将步骤2）中的型材在500℃的条件下进行退火处理；
4）对步骤3）中退火处理的型材进行碱热处理。
2.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述HA粉为纳米棒状HA粉，其粒径为20-60nm。
3.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述Zn的纯净度在99.99%以上。
4.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述Sn的纯净度在99.99%以上。
5.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述Ag的纯净度在99.99%以上。
6.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述Mg的纯净度在99.99%以上。
7.如权利要求1所述的一种生物体内可降解吻合钉，其特征在于：所述Mn的纯净度在99.99%以上。
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