适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法与流程

本发明涉及一种适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法，尤其是指一种可相容于人体内的镁合金及其制造方法，主要是使用与骨组织强度相近且可控制降解速率、无细胞毒性的镁合金以制备医疗用的植入物，可有效提高医疗植入物在人体内的生物相容性、机械性能、物化特性，以及生物可降解特性。

背景技术：

人体的组织可区分为软组织与硬组织两大部分，其中，软组织可例如为脏器、血管，以及肌肉等，而硬组织则为骨胳和牙齿等；硬组织的主要功能是用以支撑及保护人体内的软组织，并有效负担人体的运动机能，而硬组织若因意外伤害或疾病老化等因素遭受破坏而无法修复时，往往会造成病患肢体残疾，并带来生活行动上极大的不方便；因此，目前有许多研究即在寻求合适的修补替代材料或是暂时性支撑固定的医疗植入物，以弥补人体内的硬组织所造成的残缺；此外，应用于医疗植入物的材料除了必须具有良好的生物相容性外，适当的机械性能与物化特性更可使材料长期处于应力循环下而有效符合生物体所需。

一般医疗领域所使用的植入物包括有骨钉、骨板、多孔支架材料，以及缓释制剂等，而传统的骨钉是采用可植入人体内的金属材料所制备，可例如有铁基材料不锈钢316 LVM(stainless steel 316 LVM)、钛基材料Ti-6-4或钴钼合金等；在以往的专利中，例如中国台湾专利公开号第I463967号“脊椎固定复位系统”与第I444170号“调整型脊椎钛棒固定装置”所制备的骨钉或第I457114号“脊椎笼型支架”所制备的骨板等，都是使用上述的铁基材料不锈钢316 LVM或钛基材料Ti-6-4等金属材料所制备而成；然而，以上述金属材料所制备的医疗级植入物具有不合适的机械性能，这是因为316 LVM或钛基材料Ti-6-4等金属材料强度太高而与人骨强度有显著落差，而且在生物相容性上亦有所不足，更甚者，某些金属材料具有毒性反应，使得在生物可降解特性上亦不利于护理与治疗；根据定义，生物降解特性是指生物可腐蚀与生物可吸收的特性，而具有高度生物降解特性的材料可缓慢地溶解于活体液中，且随着时间的 增长可完全消失。

反之，若体内的医疗植入物是由不可溶的材质所制备的永久性内置假体，最后还是需要使用手术方式介入将该内置假体取出来，其手术方式可例如为骨科手术或冠状动脉手术等，就血管支架而言，若无法有效将置于体内的内置假体取出而使其持续存在的血管支架，将会增加患者罹患不良后果的概率，如炎症、动脉瘤、支架内再狭窄或血栓症等病变；因此。如何有效提高医疗植入物在人体内的生物相容性、机械性能、物化特性，以及生物可降解特性，以获得可以有效、高度相容于人体内的医疗植入物，仍是医疗体系技术人员需要持续努力克服与解决的课题。

技术实现要素：

发明人鉴于上述现有的医疗植入物在机械性能与生物相容性上仍存在多处不足，于是秉承孜孜不倦的精神，并在其丰富的专业知识及多年的实务经验的帮助下，而加以改善，并据此研究出本发明。

本发明的目的在于提供一种适用于医疗植入物的镁合金。

本发明的目的还在于提供上述适用于医疗植入物的镁合金的制备方法。

为为为上述目的，本发明提供一种适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其包括以下步骤：

步骤一：将纯镁锭、铝，以及硅进行合金熔炼工艺；

步骤二：将步骤一得为的产物进行固溶化热处理，以形成镁合金；

步骤三：于所述镁合金表面形成金属镀层；

步骤四：进行真空热处理，使所述金属镀层扩散至所述镁合金中，该镁合金的表面形成具有高生物相容性的介金属(intermetallic compound)热扩散层；以及

步骤五：进行钝化处理，以将该镁合金转化为无机型金属氧化物。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，所述合金熔炼工艺是将纯镁锭、铝，以及硅置入高温炉中，并通入氩气与六氟化硫或二氧化碳与六氟化硫其中之一气体组合进行熔炼；上述高温炉即为高温热处理炉，其可耐最高温度为1200℃，所述熔炼过程的工作温度介于355℃-385℃之间。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，步骤二中的“固溶化热处理”为本领域的常规技术手段，本发明将固溶化热处理的温度相对于现有技术升高了10℃，本发明固溶化热处理温度为355℃-385℃，加热时间介于30分钟至24小 时。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，以镁合金的总重量为100％计算，该镁合金至少包含有0.01-15wt.％的铝、0.01-10wt.％的硅，以及剩余重量百分比的镁。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该金属镀层是由锌、钙或锆其中之一的金属所形成。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该金属镀层是以溅镀、蒸镀或电沉积其中之一的方法形成于该镁合金的表面，该金属镀层为纯金属层、有机金属层或金属氧化物层其中之一。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该金属镀层的厚度介于0.05μm-5μm之间。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该真空热处理的温度范围介于280℃-550℃之间，且处理时间介于25分钟-180分钟之间。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该钝化处理是以水热法完成的，该水热法是将所述具有高生物相容性介金属热扩散层的镁合金置入碱性水溶液中，再放入带有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中反应。

根据本发明所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，优选地，该水热法的温度范围介于95℃-170℃之间，且处理时间介于1小时-48小时之间。

本发明还提供了一种适用于医疗植入物的镁合金，其是上述适用于医疗植入物的镁合金的制造方法制备得为的。

本发明的主要目的为提供一种适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法，尤其是指一种可相容于人体内的镁合金及其制造方法，主要是使用与骨组织强度相近且可控制降解速率的无细胞毒性镁合金以制备医疗用的植入物，这是由于所有金属只有镁合金强度与人骨最接近，本发明可有效提高医疗植入物在人体内的生物相容性、机械性能、物化特性，以及生物可降解特性。

为了为为上述实施目的，本发明提供一种适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其制造步骤是：首先准备纯镁锭、铝，以及硅以进行合金熔炼工艺；接着，将前步骤得为的产物进行固溶化热处理，以形成镁合金；接着，于镁合金表面形成金属镀层；之后，进行真空热处理，使金属镀层扩散至镁合金中，镁合金的表面形成具有高 生物相容性的介金属热扩散层；最后，进行钝化处理，以将镁合金转化为无机型金属氧化物。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，合金熔炼工艺是将纯镁锭、铝，以及硅置入高温炉中，并通入氩气(Ar)与六氟化硫(SF₆)或二氧化碳(CO₂)与六氟化硫(SF₆)等其中的一种气体组合进行熔炼，以形成镁合金。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，以镁合金的总重量为100％计算，镁合金至少包含有0.01-15wt.％的铝、0.01-10wt.％的硅，以及剩余重量百分比的镁。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，金属镀层是由锌、钙或锆等其中的一种金属所形成。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，金属镀层是以溅镀、蒸镀或电沉积等其中的一种方法形成于镁合金的表面。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，金属镀层为纯金属层、有机金属层或金属氧化物层等其中的一种。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，金属镀层的厚度介于0.05μm-5μm之间。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，真空热处理的温度范围介于280℃-550℃之间，且处理时间介于25分钟-180分钟之间。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，真空热处理是在温度为410℃下处理60分钟完成的。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，钝化处理是以水热法完成的。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，水热法是将具有高生物相容性介金属热扩散层的镁合金置入碱性水溶液中，再放入带有聚四氟乙烯(铁氟龙)内胆的水热反应釜中反应。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，水热法的温度范围介于95℃-170℃之间，且处理时间介于1小时-48小时之间。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，水热法是在温度为140℃下处理8小时完成的。

如上所述的适用于医疗植入物的镁合金的制造方法，其中，碱性水溶液的制备是将磷酸盐、碳酸盐或酸碱度调节剂等其中的一种溶入超纯水中形成的。

此外，以本发明的制造方法可制备得为适用于医疗植入物的镁合金，其中，镁合金的表面为具有高生物相容性的介金属热扩散层，用以加速镁合金与骨组织介面的接合程序。

本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是使用与骨组织强度相近且可控制降解速率的无细胞毒性的镁合金制备医疗用的植入物，可以有效提高医疗植入物在人体内的生物相容性、机械性能、物化特性，以及生物可降解特性；此外，本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是在表面的金属镀层上进行真空热处理工艺，以使金属镀层完全或部分扩散至镁合金的基体组织中，而使镁合金的表面形成具有高生物相容性的介金属热扩散层，有效提高本发明的适用于医疗植入物的镁合金的生物相容性；再者，本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是通过调整镁合金中铝与硅的含量以提高镁合金强度与韧性，并且在机械切削加工过程中，使镁合金具有良好的表面粗糙度(表面粗糙度为20微米)；最后，本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是使用pH值约为11.5的碱性水溶液在水热反应釜中进行水热处理，将具有金属镀层的镁合金表面与碱性水溶液反应而转化为无机型金属氧化物，可有效加速本发明适用于医疗植入物的镁合金与骨组织间的接合程序。

附图说明

图1为本发明适用于医疗植入物的镁合金制造方法的步骤流程图；

图2为本发明的未进行金属镀层的镁合金(AS)与细胞共培养的显微镜图；

图3为本发明的覆盖锌金属镀层的镁合金(AS-Zn)与细胞共培养的显微镜图；

图4为本发明的覆盖钙金属镀层的镁合金(AS-Ca)与细胞共培养的显微镜图；

图5本发明的覆盖锆金属镀层的镁合金(AS-Zr)与细胞共培养的显微镜图；

图6为传统商用医疗植入物镁合金的纯镁材料与细胞共培养的显微镜图；

图7为传统商用医疗植入物镁合金的镁铝锌合金与细胞共培养的显微镜图。

主要附图标号说明：

S1 步骤一

S2 步骤二

S3 步骤三

S4 步骤四

S5 步骤五。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

首先，请参阅图1所示，图1为本发明适用于医疗植入物的镁合金制造方法的步骤流程图，其包括有下述步骤：

步骤一S1：准备纯镁锭、铝，以及硅以进行合金熔炼工艺；在本发明的一个优选实施例中，合金熔炼工艺是将纯镁锭、铝，以及硅置入高温炉中，并通入氩气(Ar)与六氟化硫(SF₆)或二氧化碳(CO₂)与六氟化硫(SF₆)等其中的一种气体组合进行合金熔炼；

步骤二S2：将步骤一S1得为的产物进行固溶化热处理，以形成镁合金，其中，以镁合金的总重量为100％计算，镁合金至少包含有0.01-15wt.％的铝、0.01-10wt.％的硅，以及剩余重量百分比的镁；在本发明一优选实施例中，镁合金经过固溶化热处理后可为400MPa的室温拉伸强度，以及15％的拉伸延伸率；此外，本发明是通过调整镁合金中铝与硅的含量以提高镁合金强度与韧性，并且在机械切削加工过程中，使镁合金具有良好的表面粗糙度；

步骤三S3：于镁合金表面形成金属镀层，其中，金属镀层是由锌、钙或锆等其中的一种金属以溅镀、蒸镀或电沉积等其中的一种方法形成于镁合金的表面；在本发明的一优选实施例中，金属镀层为纯金属层、有机金属层或金属氧化物层等其中的一种，其厚度介于0.05μm-5μm之间；

步骤四S4：进行真空热处理，使金属镀层扩散至镁合金中，镁合金表面形成具有高生物相容性的介金属热扩散层，其中，真空热处理的温度范围介于280℃-550℃之间，且处理时间介于25分钟-180分钟之间，在本发明的一优选实施例中，真空热处理是在温度为410℃下处理60分钟完成的，使金属镀层中的金属元素可以扩散至镁合金的基体组织中；以镀锌层为例，经过真空热处理后，镀锌层与镁基体产生的热扩散包括有MgZn、Mg₂Zn₃、MgZn₂、Mg₂Zn₁₁等化合相；以镀钙层为例，经过真空热处理后，镀钙层与镁基体产生的热扩散包括有Mg₂Ca的化合相；以镀锆层为例， 镀锆层经真空热处理扩散后，锆金属被分解且均匀分布在镁基体组织中，其热扩散组织为六方紧密堆积晶体的锆与镁(hcp Zr+Mg)；以及

步骤五S5：进行钝化处理，以将镁合金转化为无机型金属氧化物；由于人体骨胳为无机型的磷酸盐形式，而本发明所制备的镁合金与金属镀层为金属形式，故须以水热法进行钝化处理，以将镁合金的表面转化为无机型金属氧化物，加速镁合金与骨组织介面接合程序，其中水热法是将具有高生物相容性介金属热扩散层的镁合金置入碱性水溶液中，再放入带有聚四氟乙烯(铁氟龙)内胆的水热反应釜中反应，而碱性水溶液的制备是将磷酸盐、碳酸盐或酸碱度调节剂等其中的一种溶入超纯水中形成，碱性水溶液最佳的酸碱度调节为pH值约11.5；此外，水热法的温度范围介于95℃-170℃之间，且处理时间介于1小时-48小时之间，在本发明的一优选实施例中，水热法是在温度为140℃下处理8小时完成的；再者，含金属镀层的镁合金经由水热法处理后，其表面的金属镀层与碱性水溶液反应产生具有生物相容性的无机化合物，以镀锌层为例，包括有内层的Mg₂Zn₃、MgZn₂、Mg₂Zn₁₁与外层的(Zn,Mg)x(OH)y、(Zn,Mg)₃(PO4)₄、(Zn,Mg)₄(CO3)₂(OH)₁₀等；以镀钙层为例，包括有内层的Mg₂Ca与外层的(Ca,Mg)x(OH)y、(Ca,Mg)CO₃、CaMg(CO₃)₂、Mg₃Ca(CO₃)₄、Mg₃Ca₃(PO₄)₄、(Ca,Mg)₃(PO₄)₄等；以镀锆层为例，包括有内层的(hcp Zr+Mg)层与外层的(Zr,Mg)x(OH)y、MgZr(PO₄)₂·4H₂O、(Zr,Mg)x(CO₃)y等。

此外，以本发明的制造方法可制备得为适用于医疗植入物的镁合金，其中，镁合金的表面为具有高生物相容性的介金属热扩散层，用以加速镁合金与骨组织介面的接合程序。

接着，为进一步阐述本发明的目的、特征，以及所要为成的功效，以下介绍本发明所制备的适用于医疗植入物的镁合金的具体实施例，进一步证明本发明的制造方法可实际应用的范围，但不意欲以任何形式限制本发明的范围；首先，本发明的适用于医疗植入物的镁合金是由上述的制造方法制备得为的，亦即准备纯镁锭、铝，以及硅以进行合金熔炼工艺，其中，合金熔炼工艺是将纯镁锭、铝，以及硅置入高温炉中，并通入氩气(Ar)与六氟化硫(SF₆)或二氧化碳(CO₂)与六氟化硫(SF₆)等其中的一种气体组合进行合金熔炼；接着，将前步骤得为的产物进行固溶化热处理，以形成镁合金，其中，以镁合金的总重量为100％计算，镁合金至少包含有0.01-15wt.％的铝、0.01-10wt.％的硅，以及剩余重量百分比的镁，而镁合金经过固溶化热处理后可为 400MPa的室温拉伸强度，以及15％的拉伸延伸率；接着，于镁合金表面形成金属镀层，其中，金属镀层是由锌、钙或锆等其中的一种金属以溅镀、蒸镀或电沉积等其中的一种方式形成于镁合金的表面，而金属镀层为纯金属层、有机金属层或金属氧化物层等其中的一种，其厚度介于0.05μm-5μm之间；之后，进行真空热处理，使金属镀层完全或部分扩散至镁合金中，镁合金的表面形成具有高生物相容性的介金属热扩散层，其中，真空热处理是在温度为410℃下处理60分钟完成的，使金属镀层中的金属元素可以扩散至镁合金的基体组织中；最后，进行钝化处理，以将镁合金转化为无机型金属氧化物，由于人体骨胳为无机型的磷酸盐形式，而本发明所制备的镁合金与金属镀层为金属形式，故须以水热法进行钝化处理，以将镁合金的表面转化为无机型金属氧化物，加速镁合金与骨组织介面接合程序，其中，水热法是将具有高生物相容性的介金属热扩散层的镁合金置入碱性水溶液中，再放入带有聚四氟乙烯(铁氟龙)内胆的水热反应釜中反应，而碱性水溶液的制备是将磷酸盐、碳酸盐或酸碱度调节剂等其中的一种溶入超纯水中形成，而碱性水溶液最佳的酸碱度是将pH值调节为约11.5，水热法是在温度为140℃下处理8小时完成的，而含有金属镀层的镁合金经由水热法处理后，其表面的金属镀层与碱性水溶液反应产生具有生物相容性的无机化合物。

在本发明的具有金属镀层的三种镁合金(AS-Zn、AS-Ca与AS-Zr)中，以镁合金的总重量为100％计算，镁合金至少包含有7.5wt.％的铝、5wt.％的硅以及87.5wt％的镁；上述锌镀层、钙镀层及锆镀层的厚度均为2.5μm。

请一并参阅表1、图2-图5、图6、图7，表1为适用于医疗植入物的镁合金与传统商用材料的拉伸强度、降解速率、细胞毒性，以及生物活性的特性比较表，图2-图5为本发明适用于医疗植入物的镁合金与细胞共培养的显微镜图，图6、图7为传统商用医疗植入物镁合金的纯镁材料、镁铝锌合金与细胞共培养图的显微镜图，其中，传统商用材料包括有纯镁材料(Pure Mg)以及镁铝锌合金(AZ61)，分别对照图6与图7的显微镜图，而本发明的适用于医疗植入物的镁合金包括未进行金属镀层的镁合金(AS)，以及使用分别覆盖锌、钙或锆等三种金属的镁合金(AS-Zn、AS-Ca与AS-Zr)，分别对照图2-图5的显微镜图，其中AS代表镁铝硅合金；由表1中的数据可清楚得知，传统商用材料的拉伸强度介于150MPa-250MPa之间，而本发明的四种镁合金的拉伸强度皆不小于400MPa；此外，在降解速率测试实验中，本发明的四个镁合金的降解速率的平均值为0.375mm/a，小于传统商用材料降解速率1.65mm/a，太快的降解 速率会阻碍细胞生长与修复，本发明的四种镁合金因具有金属镀层，可有效减慢降解速率，亦有更好的生物组织贴附性；再者，在细胞毒性的测试方面，本发明按照ISO10993-5的规定进行细胞毒性测试，其中ISO10993-5是使用细胞培养技术，测试由医疗器材或其萃取物引起的细胞死亡、抑制细胞生长及其他效应，是一种评估医疗器材造成的急性生物毒性测试法，评价结果Grad-0与Grad-1代表无细胞毒性，而Grad-2代表具有轻微毒性，因此，本发明的四种镁合金皆不具细胞毒性，而传统商用材料的纯镁材料(Pure Mg)具有轻微毒性；最后，在生物活性与2个月后的骨组织贴附特性的测试实验中，本发明的具有金属镀层的三种镁合金(AS-Zn、AS-Ca与AS-Zr)皆具有良好的生物活性与骨组织的贴附性。

表1

由上述实施例的说明可知，本发明适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法与现有技术相较之下，本发明具有以下优点：

1、本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是使用与骨组织强度相近且可控制降解速率的无细胞毒性的镁合金制备医疗用植入物，可以有效提高医疗植入物在人体内的生物相容性、机械性能、物化特性，以及生物可降解特性。

2、本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是在表面的金属镀层上进行真空热处理工艺，以使金属镀层完全或部分扩散至镁合金的基体组织中，而使镁合金的表面形成具有高生物相容性的介金属热扩散层，有效提高本发明的适用于医疗植入物的镁合金的生物相容性。

3、本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法可以通过调整镁合金中铝与硅的含量以提高镁合金的强度与韧性，并且在机械切削加工过程中，使镁合金具有良好的表面粗糙度。

4、本发明的适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法是使用pH值约为11.5的碱性水溶液及水热反应釜进行水热处理，将具有金属镀层的镁合金表面与碱性水溶液反应进而转化为无机型金属氧化物，可有效加速本发明的适用于医疗植入物的镁合金与骨组织间的接合程序。

综上所述，本发明适用于医疗植入物的镁合金及其制造方法，的确能通过上述实施例，为为所预期的使用功效。

上述图示及说明仅为本发明的优选实施例，并非为限定本发明的保护范围；本领域的一般技术人员依本发明的特征范畴，对本发明所作的其它等效变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的范围。