专利名称：可吸收金属髓内钉及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的器械及其制备方法，具体是一种具有
生物安全性的体内可吸收金属髓内钉及其制备方法。
背景技术：
在骨远端和近端髓腔内植入一个生物相容性好、具有一定强度的内置物，达到 骨折端连接及固定之目的，称为髓内钉固定。髓内钉固定是中轴性骨钉，比较稳定，可 以大大降低外骨膜和血运破坏程度。髓内钉常用于直形骨折和具有轻微弧度的骨折，在 临床应用具有良好的治疗效果。 当前临床应用的髓内钉主要由不锈钢、钛合金制成。这些合金弹性模量远高于 人骨，会产生应力遮挡效应，使骨折部位得不到有效的应力剌激，最终骨折愈合效果不 佳甚至失败。同时，此类合金植入人体后会缓慢释放毒性离子或粒子，引发慢性炎症， 导致不易痊愈。而且目前的植入器械生物活性较差，植入人体后对成骨细胞的增殖、分 化、骨组织再生、矿化沉积等无显著的促进作用，对骨折愈合缺少有益的剌激作用，生 物相容性较差。此外，现有不锈钢、钛合金等制作的骨钉、髓内针等不可吸收，手术痊 愈后必须经过二次手术取出，增加了患者的经济负担和痛苦。可吸收髓内钉可解决上述 部分问题。但目前临床可吸收器械基本由聚合物材料制造，如聚乳酸、聚乙醇酸、壳聚 糖等，强度低，力学性能难以满足要求，吸收过程产生的酸性物质也会引起排异反应。
镁合金力学强度远高于可降解聚合物；弹性模量45GPa左右，与人骨接近，可 降低应力遮挡；镁化学性质活泼，在水溶液中易腐蚀降解吸收；同时镁是人体不可缺少 的重要营养元素，对人体安全。Witte等在《Biomaterials》杂志2005年26巻3557-3563页报道了将AZ31 、 AZ91、 WE43和LAE442四种镁合金植入豚鼠股骨远端，表明同聚乳酸相比镁合金有显著 的促进成骨作用。国内外多家研究机构也对镁合金的生物降解吸收性能进行了探索，但 所用合金大多含有铝和稀土等有害元素。 经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101283922A，记载了一种 "生物活性可吸收骨内固定植入器械"，该技术所设计的植入器械亦含有大量铝、稀土 元素。 铝元素公认具有神经毒性，可以在生物体内富集并抑制钙吸收，导致生物体缺 钙，进而影响生物体一系列重要的生理功能。现有的可吸收镁合金动物试验基本上是几 个月内的短期效果，无法排除长期植入时铝元素引起累计、病变的可能。另一方面，稀 土元素也会在人体积累，且排出极为缓慢，同样会产生毒性并引起病变，如稀土离子可 竞争钙离子结合位点，影响细胞生命活动。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种可吸收金属髓内钉及其制备方
3法，由Mg、 Zn、 Ca、 Mn、 Fe等全部营养元素组成，从根本上保证生物安全性。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及可吸收金属髓内钉为直线钉或弧度钉，其截面直径lmm-15mm，长 度或弧长为5mm-500mm，该髓内钉的组分及其质量百分比含量为0.01 %-10%的Zn、 0.01X-5X的Ca、 0.001%-5%的Fe、 0.01X-5X的Mn，余量为Mg。
所述的可吸收金属髓内钉的截面形状为封闭式三叶草型、开放式三叶草型、 圆形、环形或多边形结构。所述的可吸收金属髓内钉的钉体上设有孔洞，该孔洞直径lmm-10mm。 所述的可吸收金属髓内钉的外表面设有复合涂层，该复合涂层包括羟基磷灰
石、含氟磷灰石、氟化镁、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙、二水磷酸氢钙、磷酸三钙、聚乳
酸、聚乙醇酸、乳酸-乙醇酸共聚物、壳聚糖的一种或其组合。
本发明涉及上述可吸收金属髓内钉的制备方法，包括以下步骤第一步，在保护气氛环境下将纯镁放在坩埚中熔化后依次加入Ca、 Zn、 Fe或
Mn中的一种或多种形成金属合金，经保温搅拌处理后浇铸成合金铸锭，最后经热挤压处
理或热轧处理，制成髓内钉粗坯。 所述的保护气氛是指氩气与六氟化硫-二氧化碳的混合气体；
所述的在坩埚中熔化是指熔炼温度650°C -800°C ;所述的金属合金中的质量百分比含量为0.01%-10%的211、 0.01X-5X的Ca、 0.001%-5%的Fe、 0.01X-5X的Mn，余量为Mg。 第二步，将髓内钉粗坯车削成直线钉或弧度钉，然后在直线钉或弧度钉的表面 进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉。 所述的涂层改性处理是指采用浸提法、水热处理、电沉积、微弧氧化、热喷 涂、激光熔覆或离子注入方法在直线钉或弧度钉的表面涂覆羟基磷灰石、含氟磷灰石、 氟化镁、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙、二水磷酸氢钙、磷酸三钙、聚乳酸、聚乙醇酸、乳 酸-乙醇酸共聚物、壳聚糖的一种或其组合。 本发明制备所得髓内钉弹性模量、密度接近人体，避免或减少应力遮挡效应， 促进骨折愈合；同时具有较高的强度，弥补了可降解聚合物材料的不足。该髓内钉在体 内可持续吸收，且吸收降解过程有Ca、 Mg的磷酸盐层生成，利于骨传导。并可通过改 变合金成分、组织结构和涂覆涂层的成分与结构有效调整降解速率。
图1为实施例髓内钉截面形状示意图。
图2为直线型髓内钉和带有弧度的髓内钉示意图 图3为实施例6中效果示意图。 图4是实施例7示意图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的
4实施例。 实施例1 熔炼94wt^Mg-6wt^Zn合金铸锭，经40(TC热处理3小时后热挤压成粗坯，挤 压温度20(TC。然后车床加工成截面形状为圆形的直线型髓内钉，最后在直线型髓内钉的 表面进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉；本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉的直径5mm，长30rmn，利用热喷涂法 制备羟基磷灰石涂层。三点弯曲强度600MPa，拉伸强度300MPa，弹性模量41GPa。
实施例2 熔炼99.3wt% Mg-0.7wt% Ca合金铸锭，经500°C 4小时热处理后热挤压成棒材 粗坯，挤压温度30(TC，机加工成截面形状为封闭式三叶草型的直线型髓内钉，然后在直 线型髓内钉的表面进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉； 本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉的截面形状如图1中所示。钉长 100mm，激光熔覆法制备磷酸三钙涂层，在体外浸泡在l升模拟体液中，经过一个月降 解，失重率30%，且X射线衍射(XRD)显示表面有羟基磷灰石等类骨质Ca-P盐沉积。
实施例3 熔炼99wt^Mg-lwt^Mn铸锭，60(TC热处理5小时后热挤压成棒材，挤压温度 400°C，机加工成截面为方形的直线型髓内钉，然后在直线型髓内的表面进行涂层改性处 理，得到可吸收金属髓内钉； 本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉如图2所示，并利用水热处理法制备氟 化镁涂层。三点弯曲强度600MPa。体外生理盐水中浸泡1个月后失重率15%，且经测 试发现三点弯曲强度在400MPa以上。证明降解过程中可以保持一定的力学性能。
实施例4 熔炼93.2wt^ Mg-6wt% Zn-0.8wt% Ca合金，30(TC热处理5小时后20(TC热挤压 成棒材，机加工成截面为圆形的弧度髓内钉，然后在弧度髓内钉的表面进行涂层改性处 理，得到可吸收金属髓内钉； 本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉如图2中所示，直径3.5mm，弧长 120mm，水热转化法制备磷酸三钙涂层，植入新西兰兔股骨内，两个月后髓内钉被吸收 70%， X光表明兔骨折线模糊不可见，骨折愈合良好。
实施例5 熔炼92.7wt^ Mg-6wt% Zn-0.5wt% Mn-0.8wt% Ca合金，300。C热处理10小时后 20(TC下热挤压成棒材，机加工制成截面为圆环形的直线型髓内钉，然后在直线型髓内钉 的表面进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉；本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉的外径5mm，长50mm。利用电沉积法 在髓内钉表面沉积类骨质Ca-P涂层，SEM表明涂层厚度20微米，表面形貌致密。且体 外浸泡试验表明涂层后92.7wt% Mg-6wt% Zn-0.5wt% Mn-0.8wt% Ca髓内钉降解速率降低 了60%以上，大大减少氢气析出。
实施例6 熔炼94wt% Mg-6wt% Zn合金，40(TC热处理5小时后20(TC热挤压成棒材，机 加工制成截面为圆形的直线型髓内钉，然后在直线型髓内钉的表面进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉； 本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉的直径1.5mm，长30mm，表面电沉积多 种类骨质Ca-P盐复合涂层，然后植入大鼠胫骨髓腔内，X光如图3-l所示，可以看到髓 内钉的影像。图3-2是植入2个月后的X光，说明髓内钉大部分被吸收，骨折愈合效果 较好。 实施例7 首先熔炼出93.9wt% Mg-0.5wt% Mn-5wt% Zn-0.6wt% Ca合金，400。C热处理5 小后30(TC下热轧，机加工出带有两个螺钉的直线型交锁髓内钉，然后在直线型交锁髓内 钉的表面进行涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉； 本实施例制备得到的可吸收金属髓内钉如图4所示，其中髓内钉钉体直径 4rmn，带有两个直径1.5mm的内六角螺钉。髓内钉和螺钉均用微弧氧化的方法涂覆含 有钙磷元素的复合涂层。髓内钉植入新西兰兔股骨后旋入交锁螺钉加强固定，并同克式 针(材料不锈钢)实验组对照。2个月后可降解合金组和克式针组新西兰兔股骨折均愈 合，但可降解金属髓内钉别吸收60%以上，无需第二次手术取出；组织切片表明可降解 髓内钉组成骨更多，新生骨更致密。
权利要求
一种可吸收金属髓内钉，该髓内钉为为直线钉或弧度钉，其特征在于，该髓内钉的组分及其质量百分比含量为0.01％-10％的Zn、0.01％-5％的Ca、0.001％-5％的Fe、0.01％-5％的Mn，余量为Mg；所述的可吸收金属髓内钉的外表面设有复合涂层，该复合涂层包括羟基磷灰石、含氟磷灰石、氟化镁、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙、二水磷酸氢钙、磷酸三钙、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸-乙醇酸共聚物、壳聚糖的一种或其组合。
2. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉，其特征是，所述的可吸收金属髓内钉的截面形状为封闭式三叶草型、开放式三叶草型、圆形、环形或多边形结构。
3. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉，其特征是，所述的可吸收金属髓内钉的 钉体上设有孔洞，该孔洞直径lmm-10mm。
4. 一种根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉的制备方法，其特征在于，包括以下 步骤第一步，在保护气氛环境下将纯镁放在坩埚中熔化后依次加入Ca、 Zn、 Fe或Mn中 的一种或多种形成金属合金，经保温搅拌处理后浇铸成合金铸锭，最后经热挤压处理或 热轧处理，制成髓内钉粗坯；第二步，将髓内钉粗坯车削成直线钉或弧度钉，然后在直线钉或弧度钉的表面进行 涂层改性处理，得到可吸收金属髓内钉。
5. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉的制备方法 是指氩气与六氟化硫-二氧化碳的混合气体。
6. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉的制备方法 熔化是指熔炼温度650°C -800°C。
7. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉的制备方法 的质量百分比含量为0.01X-10X的Zn、 0.01^-5^的Ca、 0.001%-5%的Fe、 0.01%-5% 的Mn，余量为Mg。
8. 根据权利要求1所述的可吸收金属髓内钉的制备方法，其特征是，所述的涂层改性 处理是指采用浸提法、水热处理、电沉积、微弧氧化、热喷涂、激光熔覆或离子注入 方法在直线钉或弧度钉的表面涂覆羟基磷灰石、含氟磷灰石、氟化镁、磷酸一氢钙、磷 酸二氢钙、二水磷酸氢钙、磷酸三钙、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸-乙醇酸共聚物、壳聚糖 的一种或其组合。，其特征是，所述的保护气氛 ，其特征是，所述的在坩埚中 ，其特征是，所述的金属合金
全文摘要
一种医疗器械技术领域的可吸收金属髓内钉及其制备方法，该髓内钉为为直线钉或弧度钉，其特征在于，该髓内钉的组分及其质量百分比含量为0.01％-10％的Zn、0.01％-5％的Ca、0.001％-5％的Fe、0.01％-5％的Mn，余量为Mg，其外表面设有复合涂层。本发明制备所得髓内钉弹性模量、密度接近人体，避免或减少应力遮挡效应，促进骨折愈合；同时具有较高的强度，弥补了可降解聚合物材料的不足。该髓内钉在体内可持续吸收，且吸收降解过程有Ca、Mg的磷酸盐层生成，利于骨传导。并可通过改变合金成分、组织结构和涂覆涂层的成分与结构有效调整降解速率。
文档编号A61B17/86GK101690676SQ200910308760
公开日2010年4月7日 申请日期2009年10月26日 优先权日2009年10月26日
发明者张小农, 张绍翔, 李佳楠, 赵常利 申请人:上海交通大学