能促进骨骼生长且能完全被骨骼吸收的骨钉及其制备方法与流程

本发明涉及一种能促进骨骼生长而且能完全被骨骼吸收的骨钉及其制备方法。

背景技术：

骨钉，又称医疗器械骨折固定“螺钉”，骨钉常用于内部骨折或脱位的固定，通过直接拧入两个不同骨块或固定骨板等内植入物实现骨折的固定，定位骨骼并促进其痊愈。骨钉材料必须具备2个功能：(1)有足够的机械强度能支撑受伤骨骼的愈合，(2)具有生物活性，在骨骼愈合以后，能被人体降解吸收。

基于传统的起固定作用的骨“螺钉”，目前大多采用钛合金或不锈钢制成，康复后需要二次手术取出的困扰。镁合金是以镁为基础加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小(1.8g/cm3镁合金左右)，强度高，弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。医用镁合金“骨钉”具有良好的生物相容性和一定的机械强度，被比誉为“革命性的生物材料”。可降解高纯镁“骨钉”，最大的难点是其降解速率过快，在受伤骨愈合前就已经降解消失了。研究镁合金的材料及制造方法，能确保镁合金骨钉具有足够的机械强度能促进骨骼的快速生长，并且在骨愈合以后能自行消失，是当今医学材料界的研究热点和迫切需要解决的难题。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供能促进骨骼生长且能完全被骨骼吸收的骨钉。

本发明能促进骨骼生长且能完全被骨骼吸收的骨钉由以下重量含量的各成分构成：纳米氧化锆(zro2)0.5％～2.0％；纳米氧化锌(zno)1.5％～3.0％；纳米氧化镁(mgo)2.5％～5.0％；钒1.5～2.5％；钙3～8％；余量为镁；

纳米氧化锆(zro2)：将纳米氧化锆和本发明的纳米氧化锌、纳米氧化镁、金属钒、钙、镁复合，可以极大地提高材料的抗高温氧化性，提高其断裂韧性、抗弯强度等。粒径为2～50纳米。

纳米氧化锌(zno)：纳米氧化锌是稳定的化合物，具有良好的抗撕裂性和弹性，同时还有抗菌和抗炎的作用，准备方法：将电解法制得的锌锭加热至580～750℃熔融后，置于耐高温坩埚内，使之1280～1380℃高温下熔融气化，导入热空气进行氧化，生成的氧化锌经冷却、旋风分离，将细粒子用布袋捕集，即制得氧化锌成品。粒径为2～50纳米。

zn+co+o2＝zno+co2

纳米氧化镁(mgo):纳米级氧化镁具有明显的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应，经改性处理，无团聚现象，在光学、催化、磁性、力学、化工等方面具有许多特异功能及重要应用价值，前景非常广阔，是21世纪重要新材料。在本发明中，氧化镁作为抗酸剂、吸附剂、脱硫剂、脱铅剂、络合助滤剂、ph调节剂的作用，且能抑制和缓解金属镁在人体环境中腐蚀而产生氢气。.由此本发明中加入纳米氧化镁(mgo)能大大骨螺钉的抑制腐蚀能力。粒径为2～50纳米。

mg+2h2o→mg(oh)2+h2↑

钙：钙是人体中含量最多的无机盐组成元素，约占体重的1.5％～2.0％。其中99％的钙以骨盐形式存在于骨骼和牙齿中。骨钙主要以非晶体的磷酸氢钙(cahpo4)和晶体的羟磷灰石(3ca3po4×ca(oh)2)两种形式存在。新生骨中磷酸氢钙比陈旧骨多，骨骼成熟过程中逐渐转变成羟磷灰石。本发明添加钙，能促进新生骨的加速生长，使骨钙与血钙保持动态平衡，同时在骨愈合以后能被人体吸收。

钒：是一种银灰色的金属。具有很高的延展性，而且钒是人体必需的微量元素，在人体内含量大约为25mg，本发明添加钒，能促进骨骼及伤口的再生修复，且在骨骼修复以后，钒能被人体自然代谢和排出。

镁：镁是最轻的结构金属材料之一，又具有比强度和比刚度高、阻尼性和切削性好、是人体细胞内的主要阳离子，浓集于线粒体中，仅次于钾和磷，在细胞外液仅次于钠和钙居第三位，是体内多种细胞基本生化反应的必需物质。目前，镁合金轮椅、康复和医疗器械等。本发明的成分主要是金属镁，加工的骨钉具有重量轻，机械强度高和生物相容性。

本发明的另一个目的是提供上述骨钉的制备方法，进行增强其机械性能和生物性能，具体是：

步骤(1)、球磨

将各镁合金粉末成分倒入全方位行星式球磨机，球磨罐转速为500～950r/min，在球磨过程中，行星式盘和球磨罐同时进行180～360°翻滚，上述镁合金粉末和研磨球之间产生更加强烈且均匀的摩擦、撞击能量，采用干磨、真空和增压磨的研磨方式，由此镁合金粉末得以充分的粉碎、混合、均化，同时避免上述镁等金属粉末在空气中氧化和变质。

各镁合金粉末成分由以下重量含量组分构成：纳米氧化锆(zro2)0.5％～2.0％；纳米氧化锌(zno)1.5％～3.0％；纳米氧化镁(mgo)2.5％～5.0％；钒1.5～2.5％；钙3～8％；余量为镁；

全方位行星式球磨机采用型号deco-pbm-ad-0.4l，其中磨球材料为不锈钢球，磨球占球磨罐体积的1/4～1/3，钢球直径分为大、中、小3个级别，比例为1∶4∶5。

步骤(2)、3d打印直接成型

采用德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机直接成型本发明的骨钉。首先将要打印的骨钉设计成cad模型，然后采用.stl数据文件格式输入到eosm100进行打印。激光器类型为180～200瓦的镱光纤激光器，光斑直径为20～40μm，刮刀的运动速度为80～180mm/s,成型速度为25～35cm³/h,自动粉末分层装置的刻槽间距为0.15～0.18mm、每个粉末层厚度为0.01～0.04mm。首先将eosm100机预热到480～680℃，然后以30～60℃/s升温至1480～1600℃，输入保护气氩气，保温8～10小时，然后以降温速率为20～55℃/s，降至室温即可。

步骤(3)、将上述制造所得的骨钉放入乙烯-丙酮水溶液，样品得以杀菌并获得光滑和清晰的金相组织。

乙烯-丙酮水溶液中乙烯、丙酮、蒸馏水三者的体积比为(75～100)：(2～6)：(24～30)。

与现有技术相比，本发明提出的方案具有以下优点：

1.本发明采用金属氧化物粉末：氧化锆(zro2)，氧化锌(zno)，氧化镁(mgo)，将这三种粉末制成纳米，其颗粒大小均为2～50纳米，由于晶粒的细微化，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体所不具有的量子尺寸效应和高分散性等，故能大大本发明骨螺钉的增强其力学性能和抗腐蚀的能力。本发明生成的骨钉其拉力强度、屈服强度均大于骨钉要求的最小标准300mpa，延伸率也大于骨钉要求的最小标准16％。由此，本发明骨钉相比现有选区激光烧结sls方法具有更理想的力学强度。

2.良好的生物相容性：

本发明骨钉具有良好的骨诱导性，利于形成稳定的骨结合，同时具有生物可控降解性。

附图说明

图1是本发明设计的骨钉cad模型；

图2是按照图1的cad设计模型分别用本发明和sls方法制造的骨钉模型；

图3是为图2中用本发明实施例1的方法和sls方法制造的骨钉模型的扫描电镜图像和元素edx显微分析；其中(a)本发明实施例1的方法，(b)sls方法；

图4是动物实验观察骨骼生长的显微结构图；其中(a)10天；(b)30；(c)120天。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。

以下实施例采用的氧化锆(zro2)、氧化锌(zno)、氧化镁(mgo)其颗粒大小均为2～50纳米。

实施例1

步骤(1)、球磨方式

将以下重量含量的各镁合金粉末成分：纳米氧化锆(zro2)2.0％；纳米氧化锌(zno)3.0％；纳米氧化镁(mgo)5.0％；钒2.5％；钙8％；余量为镁，倒入全方位行星式球磨机deco-pbm-ad-0.4l。磨球材料为不锈钢球，磨球约占球磨罐体积的1/4，钢球直径分为大、中、小3个级别，比例为1∶4∶5。球磨罐转速为500r/min，在球磨过程中，行星式盘和球磨罐同时进行180°翻滚，上述镁合金粉末和研磨球之间产生更加强烈且均匀的摩擦、撞击能量，采用干磨、真空和增压磨(大小为80kpa)的研磨方式，由此镁合金粉末得以充分的粉碎、混合、均化，同时避免上述镁等金属粉末在空气中氧化和变质。

步骤(2)、3d打印直接成型

采用德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机直接成型本发明的骨钉。首先将要打印的骨钉设计成cad模型(如图1所示)，然后采用.stl数据文件格式输入到eosm100进行打印，激光器类型为180瓦的镱光纤激光器，光斑直径为20μm，刮刀的运动速度为80mm/s,成型速度为25cm³/h,自动粉末分层装置的刻槽间距为0.15mm、粉末层厚度为0.04mm。首先将eosm100机预热到480℃，然后以30℃/s升温至1480℃，输入保护气氩气，保温8小时。然后以降温速率为20℃/s，降至室温即可。

步骤(3)将上述制造所得的骨钉放入如下乙烯-丙酮水溶液(24毫升蒸馏水，75毫升乙烯和2毫升丙酮)中，样品得以杀菌并获得光滑和清晰的金相组织。

对比例1：sls方法

将实施例1中的步骤(2)中的德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机更改为德国eos激光(金属)粉末烧结系统sls，扫描速度2m/s，电源220v，25a，功率1000w，其他实验条件与实施例1相同。

实施例2

步骤(1)球磨方式

将以下重量含量的各镁合金粉末成分：纳米氧化锆(zro2)1.0％；纳米氧化锌(zno)2.0％；纳米氧化镁(mgo)3.0％；钒2.5％；钙4％；余量为镁，倒入全方位行星式球磨机deco-pbm-ad-0.4l。磨球材料为不锈钢球，磨球约占球磨罐体积的1/4，钢球直径分为大、中、小3个级别，比例为1∶4∶5。球磨罐转速为650r/min，在球磨过程中，行星式盘和球磨罐同时进行270°翻滚，上述镁合金粉末和研磨球之间产生更加强烈且均匀的摩擦、撞击能量，采用干磨、真空和增压磨(大小为100kpa)的研磨方式，由此镁合金粉末得以充分的粉碎、混合、均化，同时避免上述镁等金属粉末在空气中氧化和变质。

步骤(2)3d打印直接成型

采用德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机直接成型本发明的骨钉。首先将要打印的骨钉设计成cad模型(如图1所示)，然后采用.stl数据文件格式输入到eosm100进行打印，激光器类型200瓦的镱光纤激光器，光斑直径为30μm，刮刀的运动速度为150mm/s,成型速度为30cm³/h,自动粉末分层装置的刻槽间距为0.16mm、粉末层厚度为0.03mm。首先将eosm100机预热到580℃，然后以50℃/s升温至1580℃，输入保护气氩气，保温9小时。然后以降温速率为35℃/s，降至室温即可。

步骤(3)将上述制造所得的骨钉放入乙烯-丙酮水溶液(28毫升蒸馏水，85毫升乙烯和3毫升丙酮)中，样品得以杀菌并获得光滑和清晰的金相组织。

对比例2：sls方法

将实施例2中的步骤(2)中的德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机更改为德国eos激光(金属)粉末烧结系统sls，扫描速度5m/s，电源380v，16a，功率2000w，其他实验条件与实施例2相同。

实施例3

步骤(1)球磨方式

将以下重量含量的各镁合金粉末成分：纳米氧化锆(zro2)0.5％；纳米氧化锌(zno)2.0％；纳米氧化镁(mgo)5.0％；钒1.5％；钙6％；余量为镁；倒入全方位行星式球磨机deco-pbm-ad-0.4l。磨球材料为不锈钢球，磨球约占球磨罐体积的1/3，钢球直径分为大、中、小3个级别，比例为1∶4∶5。球磨罐转速为750r/min，在球磨过程中，行星式盘和球磨罐同时进行260°翻滚，上述镁合金粉末和研磨球之间产生更加强烈且均匀的摩擦、撞击能量，采用干磨、真空和增压磨(大小为120kpa)的研磨方式，由此镁合金粉末得以充分的粉碎、混合、均化，同时避免上述镁等金属粉末在空气中氧化和变质。

步骤(2)3d打印直接成型

采用德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机直接成型本发明的骨钉。首先将要打印的骨钉设计成cad模型(如图1所示)，然后采用.stl数据文件格式输入到eosm100机进行打印，激光器类型为200瓦的镱光纤激光器，光斑直径为40μm，刮刀的运动速度为160mm/s,成型速度为35cm³/h,自动粉末分层装置的刻槽间距为0.16mm、粉末层厚度为0.03mm。首先将eosm100机预热到600℃，然后以50℃/s升温至1580℃，输入保护气氩气，保温9小时。然后以降温速率为35℃/s，降至室温即可。

步骤(3)将上述制造所得的骨钉放入乙烯-丙酮水溶液(24毫升蒸馏水，79毫升乙烯和3毫升丙酮)中，样品得以杀菌并获得光滑和清晰的金相组织。

对比例3：sls方法

将实施例3中的步骤(2)中的德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机更改为德国eos激光(金属)粉末烧结系统sls，扫描速度4m/s，电源380v，16a，功率1500w，其他实验条件与实施例3相同。

实施例4

步骤(1)球磨方式

将以下重量含量的各镁合金粉末成分：纳米氧化锆(zro2)1.0％；纳米氧化锌(zno)1.5％％；纳米氧化镁(mgo)3.5％；钒2.5％；钙4％；余量为镁；倒入全方位行星式球磨机deco-pbm-ad-0.4l。磨球材料为不锈钢球，磨球约占球磨罐体积的1/3，钢球直径分为大、中、小3个级别，比例为1∶4∶5。球磨罐转速为950r/min，在球磨过程中，行星式盘和球磨罐同时进行360°翻滚，上述镁合金粉末和研磨球之间产生更加强烈且均匀的摩擦、撞击能量，采用干磨、真空和增压磨(大小为150kpa)的研磨方式，由此镁合金粉末得以充分的粉碎、混合、均化，同时避免上述镁等金属粉末在空气中氧化和变质。

步骤(2)3d打印直接成型

采用德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机直接成型本发明的骨钉。首先将要打印的骨钉设计成cad模型(如图1所示)，然后采用.stl数据文件格式输入到eosm100进行打印，激光器类型为200瓦的镱光纤激光器，光斑直径为40μm，刮刀的运动速度为180mm/s,成型速度为35cm³/h,自动粉末分层装置的刻槽间距为0.18mm、粉末层厚度为0.01mm。首先将eosm100机预热到680℃，然后以60℃/s升温至1600℃，输入保护气氩气，保温10小时。然后以降温速率为55℃/s，降至室温即可。

步骤(3)将上述制造所得的骨钉放入乙烯-丙酮水溶液(26毫升蒸馏水，80毫升乙烯和4毫升丙酮)中，样品得以杀菌并获得光滑和清晰的金相组织。

对比例4：sls方法

将实施例4中的步骤(2)中的德国易欧思slm激光铺粉3d打印机eosm100机更改为德国eos激光(金属)粉末烧结系统sls，扫描速度4m/s，电源380v，16a，功率

1800w，其他实验条件与实施例4相同

将上述实施例1-4与对比例1-4选区激光烧结(sls)方法的制备产品进行机械性能比较，见表1。

表1

从表格1看出，采用实施例1-4生成的骨钉其拉力强度、屈服强度和延伸率都明显高于对比例生成的骨钉样品。实施例1-4生成的骨钉其拉力强度、屈服强度均大于骨钉要求的最小标准300mpa，延伸率也大于骨钉要求的最小标准16％。由此，本发明方法生产的骨钉相比选区激光烧结sls方法具有更理想的力学强度。

参照图2，按照图1的cad设计模型分别用本发明方法(步骤2)和sls方法制造的骨钉模型，可以看出，采用本发明得到的骨钉模型表面更光滑。图3为图2中用本发明实施例1的方法和sls方法制造的骨钉模型的扫描电镜图像和元素edx显微分析。从图3可以看出，采用本发明实施例1的方法比sls方法得到的骨钉具有更光滑和清晰的金相组织。

应用实施例

将实施例1生成骨钉植入活的迷你小猪受伤的胫骨中，分别于10、30、120天后观察骨骼生长的显微结构。从图4可以看出，骨钉随着时间的推移，骨钉在逐渐降解，在120天的时候骨钉已经完全降解和消失了，小猪的胫骨也完全修复，同时也没有局部炎性反应。此实验表明，本发明方法制造的骨钉具有良好的骨诱导性和生物可控降解性,其主要原因是：纳米氧化镁(mgo)含量越大，骨螺钉抗抑制腐蚀能力越强，如果减少纳米氧化镁的含量，能加速骨螺钉在人体内降解。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。