专利名称：生物活性可吸收骨内固定植入器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械中骨科内固定器件，属于生物医疗器械领域，特别适用
于骨创伤外科、修复重建外科、整形美容用医疗器械领域；具体为一种生物活性 可吸收骨内固定植入器械，它是由具有生物活性及可吸收性的金属fM其合金所 制备的骨钉、骨板医疗器械。
背景技术：
生物活性是可增进细胞活性或新组织再生的性能，是骨植入器械中的一个重
要指标。具有生物活性的骨植入器械，在植入生物体之后，可促进周围成骨细胞
的增殖、分化，加快新生组织的再生，减少受损骨组织的愈合时间；同时可与周
围组织形成化学键结合或称为骨结合，使得所植入器械与骨组织结合牢固，增加 手术成功率。
目前临床所应用的生物活性骨内固定器件，主要为经过表面活性处理的钛合 金内固定器件，其主要依靠采用不同方法所制备的生物活性羟基磷灰石而表现出 生物活性。虽然目前也有通过共混、表面吸附或涂层等实现对高分子的生物活化， 及采用共聚、交联、表面修饰等，通过改变聚合物大分子或表面结构赋予高分子 材料生物活性，但由于其技术不稳定性，目前临床所应用可吸收高分子骨固定器 件尚不具备生物活性。同时，由于生物活性陶瓷(如卩-TCP)及生物活性玻璃的 力学性能及可加工性能难以满足临床要求，由此两类生物活性材料所开发的骨钉、 骨板尚未有临床应用。
镁是哺乳动物和人类所必需的微量元素，在人体内起到重要作用。当镁离子 浓度控制在一定范围之内时，不但不会产生细胞毒性作用；相反，可以促进软骨 细胞的增殖和分化，有利于软骨形成。镁合金植入体内后，表面有磷酸盐生成， 在磷酸盐与骨组织间有新骨形成。随着镁合金植入时间的延长，磷酸盐层不断向 新骨组织转变，这样新骨就在镁合金植入体上生长。在与钛合金植入实验的对比 研究发现，镁合金植入体周围存在大量的成骨细胞及新生骨组织，而钛合金植入体周围则仅有少量的成骨细胞及新生骨组织，说明镁合金较钛合金具有更为优异 的生物活性，可促进受伤骨组织的愈合，提高骨内固定器件的治疗效果。
镁合金是一种体内可吸收植入材料，与现有可吸收材料相比，具有更佳的力 学鹏挪生物活性。与生物活性钛合金相比，镁合金具有优异的生物吸收性能； 同时，钛合金价格昂贵，而我国是产镁大国，镁矿产量丰富，镁合金价格较钛合 金及可降解高分子材料要低很多，所以镁合金植入器件在价格上有很大优势，可 大幅度降低植入器件的价格，减少病人的经济负担。目前，还未见利用镁合金的 生物活性而设计的骨内固定植入器械。
发明内容
本发明旨在解决目前骨固定用可吸收骨内固定产品生物活性低或不具备生物 活性的问题，提出了一种具有生物活性的可吸收镁合金骨内固定植入器械。 本发明的技术方案是
一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，该骨内固定植入器械为骨内固定器 件，包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单独起固 定作用的螺钉，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属ftS其合金所制 成。
所述镁合金为镁铝系列合金、镁锰系列合金、l勞辛系列合金、镁锆系列合 金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁,丐系列合金或镁银系列合金等不同的合 金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
所涉及镁合金主要包括镁铝系列(除二元体系外主要包括Mg-Al-Zn， Mg-Al-Mn, Mg-Al-Si， Mg-Al-RE四个三元体系及其他多元体系，代表性合金如 AZ31, AZ61, AM60, AM50, AE21, AS21等，其中铝重量含量要求<10%, Zn、 Mn、 Si和/或RE重量含量^5。/。)；镁锰系歹U(主要是二元Mg-0.1 2.5。/。Mn及添加 少量稀土、 f丐、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如国内牌号MB1和 MB8);镁锌系列(除二元体系外主要包括Mg-Zn-Zr和Mg-Zn-Cu系列，代表性合 金如ZK21、 ZK60、 ZC62等)；镁锆系列(主要是二元Mg-0.1 l%Zr及添加少 量稀土、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如K1A等)；镁稀土系列(主 要是二元Mg-0.1 5MRE及添加少量铝、锆、钙、锌等元素组成的三元系或多元 系，)；镁锂系列(主要是二元Mg-l 15。/。Li及添加少量铝、稀土、锌和硅等元素 组成的三元系或多元系，代表合金如LA91、 LAZ933等)；镁转系列(主要是二元Mg-0.1 10y。Ca及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系)；镁 银系列(主要是二元Mg-0.1 12%Ag及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三 元系或多元系，代表合金如QE22等)等不同的合金体系的一种或由这些体系组 合而成的三元系和多元系镁合金。
本发明中，骨内固定器件包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固 定器材、骨针以或单独起固定作用的螺钉。
本发明中，内固定接骨板装置将接骨板置于骨表面，通过螺钉将骨折断端相 连接，达至帽浙复位、固定，从而促进愈合的目的。根据不同骨折部位和需要， 包括加压骨板(主要用于长骨干骨折)、重建骨板(用于骨盆、肱骨远端、锁骨或 外踝骨折等)、特殊部位骨板(有股骨踝支持骨板、胫骨平台外侧或远端内外侧支 持骨板、跟骨及趾(指)骨接骨板、颅骨缺损修复骨板、颌面部接骨板或缺损修 复骨板)或特殊形状骨板(S形、直形、弧形、L形、T形、Y形、三叶形、X 形、工字形骨板或其他特殊需要的异形接骨板)。
本发明中，髓内钉是用于植入骨的远端和近端髓腔内，达到骨折断端的连接、 复位与固定，包括单根钉、多根钉、坚强髓内钉或可屈性髓内钉。
本发明中，脊柱骨折脱位固定器材是禾,张力带、支撑、中和、矫正和拉力 螺钉原理，目的是提供适当的稳定性，维持一个运动节段的完整，及整个脊柱生 理上的三维形式和平衡，器材包括骨板、固定棒、螺钉、钩或钢丝等。
本发明中，骨针用于手足短管状骨的固定、骨牵引。
本发明中，骨钉主要用于配套骨板的内固定，亦可用作拉力钉、界面钉单独 起固定作用，包括与骨板配套使用的螺钉及单独起固定作用的拉力螺钉或界面螺 钉，分为自身攻丝螺钉或非自身攻丝螺钉，以及皮质骨螺钉或松质骨螺钉。皮质 骨螺钉系全螺纹钉，松质骨螺钉分螺杆及螺纹两部分。
本发明中，生物活性镁合金骨固定器件表面可以通过离子注入、热喷涂、离 子镀、溅射、化学气相沉积、激光熔覆、等离子体技术、电化学方法或生物化学 方法制备一层防护层，控制^^金的降解速度及镁离子的溶出速度，并可携带生 物活性因子，进一歩提高其与生物体之间的生物活性，从而控制镁合金器件在生 物体内的生物活性及吸收速度；防护层厚度为0.1-200 "m，防护层为羟基磷灰石 (HA)涂层、|3-憐酸三转(P-TCP)涂层、氧化镁涂层、含氟防护层或含磷防护 层。本发明的特点在于
1. 生物活性。本发明利用镁合金的优异的生物活性特点，使得所设计骨内固 定器件在生物体内较短时间即有Ca-P层沉积，并随植入时间的延长，在植入器件 周围形成新生骨组织，促进受损部位的愈合。
2. 可控降解。本发明充分结合可降解镁合金及表面改性的优点，根据骨内固 定器件的服役期需要来选择和优化表面改性层，控制其早期的降解过程，使接骨 板在服役早期缓慢均匀腐蚀降解，避免点蚀等局部腐蚀现象，保证接骨板优良的 力学性能；在降解后期(即植入体接近设计服役期时)镁合金材料快速安全降解。
3. 弹性模量低。相对传统金属骨内固定器件而言，可降解镁合金材料具有和 人骨接近的密度和弹性模量。镁合金的密度为1.74g/cmS左右，与人骨的密质骨密 度(1.75^cm,极为接近，镁合金的弹性模量约为45GPa，接近人骨的弹性模量 20GPa左右，作为骨固定物可避免应力遮挡效应。
4. 安全、实用性好。镁是人体内仅次于韩、钠和钾的常量元氣成人每人每 日需要量大于350mg，它参与体内一系列新陈代谢过程。可降解镁及镁合金接骨 板及骨螺钉在体内生理环境下最终被腐蚀卩絲率并被机体吸收或代谢，其降解产物 主要是人体所需的镁离子，镁是人体所需常量元素，所含其他合金元素含量均在 生物医用范围之内；因此，采用本发明的可降解镁合金接骨板及骨螺钉是安全的， 具有很大的优势和应用前景。
5. 价格低。我国是产镁大国，镁矿产量丰富，镁合金价格较钛合金及可降解 高分子材料要低很多，所以镁合金植入器件在价格上有很大优势，可大幅度降低 植入器件的价格，减少病人的经济负担。
6. 适用范围广。本发明适用于人或动物体内由具有生物活性及可吸收性的镁 合金所制备的接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针以及单 独起固定作用的螺钉，可以促进器件植入部位的组织愈合。同时，还包括在所述 内固定器件表面制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度， 从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度。
图l是本发明实施例l所设计的骨内固定器件结构示意图。图中，l接骨板; 2孑L; 3骨螺钉。
图2是采用本发明制备的生物活性器件在模拟体液中浸泡3天后表面沉积Ca-P层的X-射线图谱。
图3-图11是本发明实施例结构示意图。其中，图3是L形接骨板；图4是T 形接骨板；图5是三叶形接骨板；图6是Y形接骨板；图7是异形接骨板；图8 是弧形接骨板；图9是S形接骨板；图10是异形接骨板；图ll是异形接骨板。 图中，l接骨板；2孑L。
图12是本发明实施例中骨钉的结构示意图。
图13是采用本发明制备的带有(3—TCP涂层的生物活性器件在模拟体液中浸 泡1天，表面新形成类骨磷灰石的扫描照片。 具体实 "式
实施例l
如图1所示，采用AZ31B (镁一铝系)镁合金制作成接骨板1及骨螺钉3， 骨板l形状为直形板，骨螺钉3通过 L2固定接骨板1。如图2所示，在模拟体 液中浸泡3天，表面有Ca-P层沉积，说明该接骨板和螺钉具有良好的生物活性。 植入动物体内后l个月时，在接骨板周围有大量的新生组织包围，而钛合金接骨 板周围新生组织相对较少，未能包裹接骨板。证明，该镁合金接骨板具有优异的 生物活性。
实施例2
如图3-12所示，将ZK60 (镁—锌系)镁合金制作成L形、T形、三叶形、 Y形、异形、弧形、S形接骨板以及骨钉在模拟体液中浸泡3天，表面有Ca-P层 沉积，说明该接骨板具有良好的生物活性。
实施例3
将AM60 (镁一铝系)镁合金加工成髓内钉，经抛光后，分别在丙酮、酒精 中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后采用热喷涂方法在镁合金接骨板 表面喷涂厚5,的磷灰石层，进一步提高髓内钉的骨诱导性能。
实施例4
采用Mg94-Ca5-Znl(镁—钙系)制备拉力螺钉，采用仿生方法(仿生溶液成分 为Na2HPO4.12H2O:20-60g/l， Ca(N03)2:30-50g/l，其余为水；温度:25-90。C，时 间:2-48h)在外表面制备出(3—TCP涂层，其厚度为100,。所制备拉力螺钉，在 模拟体液中浸泡1天，表面有类骨磷灰石形成，如图13所示。随着浸泡时间的延 长，表面P—TCP涂层逐渐降解，镁合金基体继续与模拟体液相互作用，表面继续有生物活性Ca-P层形成。 实施例5
采用ZAC8502 (镁一锌系)镁合金制备界面螺钉，植入生物体受损部位后， 组织在半个月之内愈合，并随着植入时间的延长，界面螺钉在体内被吸收。 实施例6
采用MB1 (镁—锰系)镁合金制备拉力钉，植入生物体受损部位1个月后， 拉力钉与周围骨组织结合牢固，并在拉力钉周围有新生骨组织形成，经切片分析， 在新生骨组织中有骨小梁存在，而钛合金拉力钉周围新生骨组织中并不存在骨小 梁，证明此镁合金拉力钉具有优异的生物活性，可诱导新生骨组织形成。
实施例7
采用K1A (镁一锆合金)镁合金制备脊柱骨折脱位固定器材，植入生物体受 损部位l个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片 分析，在新生骨组织中有骨小梁存在。
实施例8
采用WE43 (镁一稀土系)镁合金制备骨针，采用电化学沉积技术(以铂片 为阳极，骨针为阴极，电解液为10-4mol/L的CaCl2和Na2HPO4的混合溶液，pH 为5.5-7.0，温度为90-10(TC，电流密度为0.25-1.75mA/cm2，沉积时间为25-180min，
空气中晾干)在外表面制备羟基磷灰石涂层，其厚度为150pm。植入生物体受损 部位1个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片分 析，在新生骨组织中有骨小梁存在。 实施例9
采用LA141像—锂系)镁合金制备生物活性骨板、骨钉，采用真空等离子喷 涂工艺(Ar、 H2为等离子气体，真空室压力为150mbar，送粉率为20g/min，电 流650A，电压60V)、利用粒径范围为10-100,的羟基磷灰石粉末，在外表面 制备出羟基磷灰石，所f群5基磷灰石涂层厚度为130nm。植入生物体受损部位1 个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片分析，在 新生骨组织中有骨小梁存在。
权利要求
1. 一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于该骨内固定植入器械为骨内固定器件，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制成。
2、 如权利要求l所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于具 有生物活性及可吸收性的镁合金为镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合 金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金或镁银系列 合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
3、 按照权利要求l或2所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在 于镁合金中，铝的重量含量0 10%; Zn、 Mn、 Si禾口/或RE的重量含量0 5%; Zr的重量含量0 1%; Li的重量含量0 15%; Ca的重量含量0 10%; Ag的 重量含量0 12%。
4、 如权利要求l所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于生物活性镁合金骨固定器件表面通过离子注入、热喷涂、离子镀、溅射、化学气相 沉积、激光熔覆、等离子体技术、电化学方法或生物化学方法制备一层防护层， 控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度；防护层厚度为0.1-200 ym，防护层为羟基磷灰石涂层、P -磷酸三铐涂层、氧化镁涂层、含氟防护层或含磷防护层。
5、 如权利要求l所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于骨 内固定器件包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单 独起固定作用的螺钉。
6、 如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于所 述接骨板包括用于长骨干骨折的加压骨板；或者，用于骨盆、肱骨远端、锁骨或 外踝骨折的重建骨板；或者，股骨踝支持骨板、胫骨平台外侧及远端内外侧支持 骨板、跟骨及趾(指)骨接骨板、颅骨缺损修复骨板、颌面部接骨板或缺损修复 骨板用特殊部位骨板；或者，人字形、弧形、L形、T形、Y形、三叶形、工字 形骨板或其他特殊需要的异形接骨板。
7、 如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于所述髓内钉包括单根钉、多根钉、坚强髓内钉或可屈性髓内钉。
8、 如权禾腰求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于所述脊柱骨折脱位固定器桐—包括骨板、固定棒、螺钉、钩或钢丝。
9、 如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于所 述螺钉包括与骨板配套使用的螺钉及单独起固定作用的拉力螺钉或界面螺钉；螺钉分为自身攻丝螺钉或非自身攻丝螺钉，以及皮质骨螺钉或松质骨螺钉，皮质骨 螺钉系全螺纹钉，松质骨螺钉分螺杆及螺纹两部分。
全文摘要
本发明涉及属于生物医疗器械领域，特别适用于骨创伤外科、修复重建外科、整形美容用医疗器械领域；具体为一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，它是由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制备的骨钉、骨板医疗器械。该骨内固定植入器械为骨内固定器件，包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单独起固定作用的螺钉，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制成。本发明可以解决目前骨科内固定器件的生物活性问题，促进器件植入部位的组织愈合。同时还包括在所述内固定器件表面制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度。
文档编号A61B17/68GK101283922SQ200810011500
公开日2008年10月15日 申请日期2008年5月21日 优先权日2008年5月21日
发明者任伊宾, 张炳春, 柯 杨, 肖克沈, 谭丽丽, 丰 郑 申请人:中国科学院金属研究所