一种可定向降解吸收的镁金属接骨螺钉及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种植入性医疗器械技术领域的装置及其制备方法，具体是一种能够被人体定向降解吸收的镁金属接骨螺钉及其制备方法。
【背景技术】
[0002]接骨螺钉是骨科临床上大量用于骨折内固定、截骨术固定等手术的植入器械，用途非常广泛。然而，当前临床使用的接骨螺钉基本由不锈钢、钛或钛合金以及部分可吸收高分子材料构成，存在一些难以克服的问题。钛合金、不锈钢等金属材质弹性模量远远大于人的密质骨，骨折固定后容易在植入部位周围产生应力遮挡效应，可能引起骨质疏松、降低手术治疗效果。且不锈钢与钛合金不可降解，骨折愈合后必须再做一次手术将骨钉取出，无疑会增加患者的身体痛苦和经济负担。可吸收高分子材料能够被人体降解吸收，避免永久存在引起的问题，然而可吸收高分子材料力学性能较低，且降解过程中有较多酸性小分子物质产生聚集而导致局部酸化，诱发炎症，应用严重受到限制。
[0003]由于镁及其合金具有良好的生物相容性、力学强度较高、能够被人体降解吸收，用于骨折内固定可免除二次手术取出，近年来作为可降解吸收的骨科内固定物在国内外均受到了非常广泛的关注，公开发表的相关科学研究文献、专利等逐年递增。
[0004]专利文献《生物活性可吸收骨内固定植入器械》(公开号CN 101283922A)公开了具有生物活性可吸收镁合金，包括了镁铝系列、镁锰系列、镁锌系列、镁锆系列、镁稀土系列等多种系列的镁合金，以及这些合金制作加工的螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针等多种内植入器械，其表面有利用离子注入、热喷涂、离子镀、溅射、化学气相沉积、电化学法等多种方法制备的陶瓷涂层，用以控制其降解速率。专利文献《一种可生物降解的颅骨修补体》(公开号CN 101385660A)公开了一种纯镁或镁合金加工制备的颅骨修补体及其螺钉配套，通过表面改性和/或涂覆可降解生物活性涂层控制降解速率。专利文献《可控降解速率的生物医用植入材料及其应用》(授权公告号CN100400114C)则公开了一种以纯镁或镁合金材料为基体的材料，表面涂覆一层可降解高分子材料，使生物降解分步进行，既保证降解过程中材料的力学性能，又使降解速率和植入器件服役时间相匹配，达到可控降解的目的。此外，还有大量研究文献公开报道了以纯镁或镁合金为材质的骨科内植入材料或器件。
[0005]然而，镁及其合金用于骨科内固定尚存在一定问题，如降解速率与骨生长速率不匹配而导致内固定物(如接骨螺钉)的早期失效、失去力学支撑作用，并影响最终的治疗效果。目前解决该问题的基本思路是通过涂层技术，调整降解速率，使降解速率与力学性能衰减、骨生长速率相互匹配。但涂层技术工艺一般比较复杂，多数涂层用于接骨螺钉时在螺钉的拧合过程中存在结合力较差、易脱落等问题。
【发明内容】
[0006]本发明针对上述现有技术的不足，提供一种能够按照一定方向进行降解的体内可降解吸收镁金属接骨螺钉及其制备方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]本发明提供一种可定向降解吸收的镁金属接骨螺钉，包括接骨螺钉，所述接骨螺钉由纯镁或镁合金制成且设有螺纹，所述接骨螺钉在横截面和纵截面上分别具有不同的微观组织结构优势取向，使得该接骨螺钉在被降解吸收过程中横截面降解比纵截面降解快。这样的降解路径能够保证在降解过程中维持一定的螺纹螺牙深度，避免在植入早期由于螺牙深度快速衰减而导致固定不牢。
[0009]具体来讲，一种可定向降解吸收的镁金属接骨螺钉有如下特征:
[0010]①该接骨螺钉在纵截面上，(0 0 0 2)晶面具有优势取向并形成织构，当采用X射线衍射(XRD)测试其晶体结构时，(0 0 0 2)晶面的X射线衍射强度最高，成为最强峰；
[0011]②该接骨螺钉在横截面上，(I 0-1 0),(1 0-1 I)晶面具有优势取向并形成织构，当采用X射线衍射(XRD)测试其晶体结构时，(1 0 0 0)晶面或(I 0-1 I)晶面的X射线衍射强度最高，成为最强峰。
[0012]镁在(O O O 2)晶面具有更好的耐蚀性，基于上述特征，使得这种接骨螺钉在不同方向上的降解速率具有差异性，最终形成了具有特定降解吸收取向的接骨螺钉。
[0013]进一步的，上述接骨螺钉包括钉身和旋动头，钉身和旋动头共同构成螺钉长度。长度 ^ 3_。
[0014]进一步的，所述钉身由螺纹构成，其中螺牙宽度彡0.15mm，螺牙深度0.1mm?2mm，螺牙间距为0.5mm?2_。
[0015]进一步的，所述旋动头包括球头下表面或锥形下表面；其中球头下表面的球面半径为1.5mm?8mm，维形下面表的维角为20°?90°。
[0016]进一步的，所述接骨螺钉的旋动头上有旋动槽，旋动槽包括一字、十字、内三角、内四角、内六角；或者旋动头为外三角、外四角、外六角。旋动头的直径或外接圆直径为3mm-15mmο
[0017]本发明上述优选的各种参数，其中，螺牙宽度彡0.15mm，深度0.1mm?2mm，螺牙间距0.5?2mm，是一种拥有宽平螺牙结构的螺钉。这样的结构中，螺纹尖端具有明显的平台，从而使得螺纹尖端保持充分的(0 0 0 2)晶面排布，保证降解过程中螺纹尖端暴露出优势取向，不会优先降解而导致螺纹塌缩，维持早期结构的稳定性。而在螺纹的侧面则充分暴露(I 0-1 O)或(I 0-1 I)的优势晶面，螺牙两侧的镁优先降解，即螺牙会优先“变瘦”，而不是先“变矮”。最终在早期维持充分的螺牙深度。
[0018]上述的纯镁或镁合金包括:纯度不小于99.9%的纯镁、镁锌系合金、镁锰系合金、镁稀土系合金、镁钙系合金等。其中，纯镁或镁合金的都是单一的均匀相，无第二相出现，由此能够避免出现非均匀的微电偶腐蚀。
[0019]本发明还提供一种上述可定向降解吸收的镁金属接骨螺钉的制备方法，包括如下步骤:
[0020]步骤1:采用纯度大于99.9%的纯镁铸锭，或采用镁合金铸锭作为原材料；将纯镁铸锭或镁合金铸锭热挤压为棒材，热挤压温度为100°C?500°C，挤压比大于10，挤压棒材的出料速度小于20mm/min，挤压出料口锥度多150°，自由摩擦无润滑。此时，挤压棒材横截面中(I 0-1 I)晶面具有最强的X射线衍射峰，且(I 0-1 O)与(O O O 2)晶面的衍射峰强度不超过(I 0-1 I)晶面强度。纵截面上(I 0-1 I)晶面具有优势取向，具有最大强度的X射线衍射峰。
[0021]步骤2:将步骤I的热挤压棒材进行冷加工。冷加工的温度为10?80°C，加工后棒材截面积缩小到原来的95%?40%。冷加工后棒材横截面中(I 0-1 O)与(O O O 2)晶面的衍射峰强度明显提高，强度超过(I 0-1 I)晶面的50%，但低于(I 0-1 I)面强度；纵截面上(O 00 2)晶面的X射线衍射峰强度超过(I 0-1 I)晶面衍射强度，成为具有最高衍射强度的优势取向晶面。
[0022]本发明上述各种加工参数对于最终结果有重要的影响，经过上述关键参数的联合加工步骤才能得到理想的取向结构。首先，经过挤压工序，在挤压棒横纵截面分别形成具有特定取向的结构。如果挤压过程的锥角不充分或摩擦力不充分，则可能无法得到上述的优势取向。其次，在步骤I基础上进行的冷加工，进一步改变了横纵截面的优势取向，从而使得棒材的横纵截面具有完全不同的织构组成，这是保证螺钉具有特定降解取向的基础。螺纹的宏观取向(如螺牙尖端的指向)与尺寸参数取决于该棒材织构取向的方向。因此，上述两步骤的联合以及每个步骤的参数要求是关键之处，单纯的只执行其中一个步骤，或工艺参数达不到要求，则难以得到本发明的结构取向。
[0023]步骤3:冷加工后的棒材采用数控车床精加工，加工出接骨螺钉。其中螺钉的纵轴线就是步骤2中的棒材的纵轴线。这种加工取向也是螺钉保持最终取向的关键。
[0024]进一步的，所述方法还包括对接骨螺钉进行抛光，使其表面光洁无缺陷。
[0025]优选地，所述的冷加工包括冷挤压、冷锻或冷乳。
[0026]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0027]本发明通过改进优化生物医用镁及其合金的加工技术，改变纯镁及其合金接骨螺钉的微观组织结构取向，使某些晶面沿一定方向呈现优势取向，在不同的方向上具有不同的微观组织结构，充分利用镁及其合金不同晶面具有的不同降解行为，达到调控接骨螺钉降解速率与骨组织生长更好匹配的作用。该材料加工成接骨螺钉后，在沿轴线方向和径向方向上降解速率不同，从而具有定向降解的特性，能够在植入早期保证螺纹结构的完整性，维持骨钉的早期紧固力。
【附图说明】
[0028]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0029]图1是本发明所设计的可定向降解吸收的镁金属接骨螺钉结构示意图；
[0030]图2是本发明中接骨螺钉旋动槽结构图；
[0031]图3是本发明中具有微观组织取向的接骨螺钉在降解过程中，螺纹的外形衰减示意图；
[0032]图4是普通镁合金接骨螺钉在降解过程中，螺纹的外形衰减示意图；
[0033]图5是本发明中的接骨螺钉在体内植入后降解过程示意图；其中:(a)?⑷是接