一种可降解金属吻合钉及制备方法与流程

本发明涉及医疗器械设计和生产技术领域，涉及术后修复与重建的临床使用的兼具优秀生物相容性、合适的生物力学特性以及可生物降解性的吻合钉及其制备方法。

背景技术：

无缝线外科技术的发明与应用是外科领域的巨大进步与发展，它不仅操作简便、迅速，缩短手术时间，而且容易完成术野狭小、部位深、手工操作困难的缝合和吻合，扩大手术范围，减少手术并发症，缩短住院时间。因此，作为目前最成功的外科技术之一，无缝线吻合的使用已越来越广泛。吻合器是医生用以代替传统手工缝合方法，采用缝钉缝合拟吻合的组织或器官的工具，具有缝合快速、操作简便及很少有副作用和手术并发症等优点。1908年，匈牙利人制造了世界上第一个缝合器，随后不断改进，并逐渐在临床推广，尤其是在近十年内，吻合器在欧美国家已经成为消化道手术的常规工具，在国内也逐渐普及，已经成为胃肠道手术必不可少的工具。据针对医用吻合器销售情况的市场调查，全国每年吻合缝钉的用量在500万套以上。吻合器是医学上使用的替代手工缝合的设备，主要工作原理是利用钛钉对组织进行吻合，类似于订书机。根据适用范围不同，主要可分为皮肤吻合器、消化道(食道、胃肠等)圆形吻合器、直肠吻合器、圆形痔吻合器、包皮环切吻合器、血管吻合器、疝气吻合器、肺切割缝合器等但目前的传统吻合器缝钉均采用化学稳定性极好的钛合金或钽金属制作，手术后缝钉在病患体内长期存在，致使部分患者长期有异物感，也会导致未来接受核磁共振等医疗检查时会在体内缝钉部位产生伪影及局部软组织损伤(核磁会导致金属发热)，影响检查效果和准确性，特别是可能会导致缝合部位的组织增生，造成术后腔道狭窄等问题。此种可降解金属钉适用于管型吻合器与肛肠吻合器，主要用于各种腔道的吻合，均为一次性使用，工作原理是击入腔道组织内的两排环形交叉排列的缝钉会使两层腔道组织缝合在一起，内置的环形刀同时切除多余的腔道组织，从而形成圆形吻合口，完成腔道吻合。临床上主要用于开放及腔镜手术下消化道重建、痔上黏膜环切等手术，国外也有使用管型吻合器行大动脉的吻合和人工血管植入，具有典型优势：创伤小，耗时少，术后吻合口瘘、吻合口出血及吻合口狭窄等发生率低的优点。

所以选择的材料，不但要求手术操作简单和减少并发症，还要能够反复塑形，提供缝合的稳定性，还要在完成作用后能被人体吸收。到目前为止，尚未有一种理想的修复材料，既具有优良的力学性能和生物学相容性，同时还能引导软组织愈合，并且自身可以完全降解或被吸收，从而实现生理性痊愈。目前所应用的吻合钉材料主要包括不可降解金属和可降解高分子聚合物两种。常用的金属有钽、钛合金板或不锈钢，其塑型方便，但作为永久植入物，其长期物理刺激，长期的异物刺激引起并发症，同时也会引起局部的慢性炎症反应。虽然这些金属吻合钉在现阶段能够暂时满足临床上的需要，但是从长远来看，发展生物可降解的、具有更高生物相容性的吻合钉已经成为一种趋势。可降解高分子材料虽然可以作为可降解吻合钉修复使用，但是其力学性能相对欠佳，而且酸性的降解产物容易引发急性或慢性的炎症等。因此发展生物可降解的金属吻合钉是成为现阶段吻合钉研究的一个重要的方向之一。另外，可降解金属钉可以通过离子束辅助沉积法、电沉积法、化学气相沉积、电弧沉积、离子注入、热喷涂法，激光熔覆法形成的涂层，结构致密，与金属植入体结合牢固，一方面控制可降解金属的降解速率，另一方面使得植入物具有优异的生物活性和生物相容性。本发明提供了一种使用便利、安全有效的吻合器使用可降解吻合钉。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明所采用的技术方案是一种可降解金属吻合钉及制备方法。

吻合器使用的可降解吻合钉，其特征在于，由医用可降解锌合金丝材加工而成的缝钉本体(1)、附着在锌合金缝合钉本体表面的可降解有机高分子表面层(2)组成。缝合钉本体为类似订书钉状，缝钉本体结构：中间长段圆丝a(3)，两端分别有一垂直长段圆丝a的短段圆丝b(4)，短段圆丝b与长段圆丝a为一体化结构即采用的是同一锌合金圆丝，两短段圆丝b位于长段圆丝a的同一侧，并于长段圆丝a共平面，此平面称为c；短段圆丝b末端即没有与长段圆丝连接的一端，设有楔形结构，所述的楔形结构为采用一垂直平面c的平面d从外侧去切割短段圆丝b而形成的楔形结构，优选平面d与短段圆丝b的夹角为锐角，优选为45-60°；长段圆丝a的轴向长度为缝钉本体的长度，短段圆丝b轴向长度为缝钉本体的高度；长段圆丝a和短段圆丝b的直径可根据需要设计。可降解高分子表面层厚度为5-30微米。缝钉长度的为63-103mm，允许误差为±2mm；缝钉高度的为3.8-4.5mm，允许误差为±0.2mm。

可降解锌合金中合金元素的含量应满足生物医用的要求范围内，使其降解产物不会引起组织毒性反应，选自纯锌系列或锌镁系列、锌钙系列、锌锂系列、锌锶系列、锌锰系列、锌铁系列、锌铜系列、锌银系列中的二元或者三元锌合金。可降解锌合金成分：锌含量大于等于95％，同时还可以含有mg、sr、li、mn、fe、ca、cu和ag元素中的一种或几种，其中钙、铜、银元素总重量含量小于等于3％，mg、ca、sr、li、mn、fe的总重量含量小于等于1％，其他的为0或必不可少的杂质或其他元素。

可降解高分子材料选自壳聚糖和聚乳酸；壳聚糖是一种具有黏性、良好的生物相容性、可生物降解性、成膜性及载药性的天然高分子聚合物，常作为生长因子载体和支架材料应用于骨组织工程中。

上述所述的吻合器使用可降解吻合钉的制备，包括以下步骤：

(1)缝钉本体使用铸态合金，原料包括高纯锌(99.9wt％)及中间合金，在通有保护气体的电阻炉内熔炼、浇铸制备；按照设计成分比例配制原料；将原材料全部融化后，充分搅拌，静置，将融化的材料浇铸到模具上，此过程需要通保护气体。

(2)获得锌合金丝材

将步骤(1)所得锌合金铸锭材料，经过热处理后，通过拉拔成需要的丝材；在逐次拉拔过程中的初期，对型材在500℃进行退火处理，从内部提高了锌合金的耐腐蚀性；将丝材按照设计尺寸弯制备成缝钉；

(3)成型锌合金缝钉的表面碱热处理：

将步骤(2)所得缝钉采用酸(1wt％硝酸溶液)腐蚀，清洗，增加表面不平整度；提前配置1m的naoh碱溶液，将前面酸蚀后的样品放入小型反应釜中，加入配置好的碱液，完全没过样品；将反应釜封好水平放入烘箱，在120-150℃下加热5-8h；随炉缓冷，取出样品，用去离子水超声清洗，在烘箱中干燥，得到处理后的锌合金缝钉；

(4)形成可降解高分子涂层

将可降解高分子材料配置成溶液，室温下使用注射器吸取溶液，先于与所述的缝钉结构相同的凹槽模具中注入溶液，轻轻将步骤(3)缝钉放置于模具正中央，再缓慢向模具中注满溶液，快速将模具转移至冰箱中，预冻后置于冷冻干燥机内，材料干燥成形后取出；或直接在缝钉上涂敷可降解高分子材料溶液，然后干燥。

进一步优选步骤(2)中所述的热处理：为了提高机械性能锌合金锭需要进一步热轧和热挤压的热处理过程。热轧，铸态锌合金锭切成厚板，被预热到250℃，3小时后，轧制较薄的板材；钢板厚度的减少是单道次加热0.2毫米，每道次之间将钢板重新加热至250℃保温10分钟；热挤压，首先切制成直径较大的圆柱体，预热至210℃，持续3小时，然后挤压至直径相对较小的圆柱。

所述的吻合器使用可降解吻合钉，实体采用可降解锌合金丝材制备，表层采用可降解高分子表面层制备。实体及表层材料亦可体内降解及具有优异生物相容性。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)可降解吻合钉可以在生物体内自然降解，达到医疗效果后在一定的时间内会从体内降解，避免了体内异物给病人造成的生理和精神负担。

(2)生物体内可降解吻合钉在成分设计上避免了使用al和稀土金属，从材料的选择上保证了材料的生物安全性。

(3)生物体内可降解吻合钉具有高耐蚀性、良好的塑性变形能力和良好的生物相容性，满足内植入材料对腐蚀速率的要求，并且该材料无明显的细胞毒性，组织相容性好，可满足内植入材料对生物相容性的要求。

(4)生物体内可降解吻合钉采用聚乳酸高分子聚合物，一方面可以调节吻合钉的机械性能，使机械性能尽量可以满足吻合维持的功能，另一方一定程度上可以提高镁合金支架的耐蚀性能。

(5)生物体内可降解吻合钉的生产工艺，在热处理过程中，在型材挤压成型后，对型材在500℃进行退火处理，从内部提高了锌合金的耐腐蚀性；后续的碱热处理从外部提高了锌合金的耐腐蚀性。

附图说明

图1为吻合器钉3d建模；

图2为吻合器钉成品；

图3为金相照片；

图4xrd衍射图；

图5为锌镁合金在生理盐水中质量损失率图；

图6锌镁合金的生理盐水ph值折线图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进一步说明，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例1

吻合器使用可降解吻合钉由医用可降解锌合金丝材加工而成的缝钉本体、附着在锌合金丝材表面的用于封孔处理的可降解高分子表面层组成。所述实体特征在于为类似订书钉状。吻合器使用可降解吻合钉缝合长度的基本尺寸为63-103mm，允许误差为±2mm。吻合器使用可降解吻合钉缝钉高度的基本尺寸为3.8-4.5mm，允许误差为±0.2mm。如图2所示。

吻合器使用可降解吻合钉实体采用可降解锌合金丝材制备，表层采用可降解高分子表面层制备。使其亦可体内降解及具有优异生物相容性。适用于人体消化道手术中胃肠道、食道的吻合缝合用。

具体制备包括以下步骤：

(1)制备锌钙合金：

实验使用铸态合金原料包括高纯锌(99.9wt％)及镁或/和氧化镁的中间合金。在通有混合保护气体的电阻炉内熔炼、浇铸制备；按照zn-1％mg(或采用氧化钙中间合金对应zn-1％ca)成分比例配制原料；将原材料全部融化后，充分搅拌，静置。将融化的材料浇铸到模具上(此过程需要通保护气体)。

(2).获得锌合金丝材

将锌合金铸锭材料，经过热处理(为了提高机械性能锌合金锭需要进一步热轧和热挤压的热处理过程。对于轧制样品，铸态锌合金锭切成厚板，被预热到250℃，3小时后，轧制较薄的板材。钢板厚度的减少是单道次加热0.2毫米，每道次之间将钢板重新加热至250℃保温10分钟。对于将锌合金锭作为挤压试样，首先切制成直径较大的圆柱体。预热至210℃，持续3小时，然后挤压至直径为较小的圆柱)后，通过拉拔成需要的丝材。在逐次拉拔过程中的初期，对型材在500℃进行完全退火处理。吻合器使用可降解吻合钉缝合长度的基本尺寸为63mm，高度的基本尺寸为3.8mm。将丝材按照设计尺寸弯折成订书钉样。

(3)成型锌合金吻合钉的表面碱热处理：

提前配置低浓度1mnaoh碱溶液，将预先酸蚀后的样品(1wt％硝酸溶液)放入25ml小型反应釜中，加入提前配置好的碱液，完全没过样品。将反应釜封好水平放入烘箱，在140摄氏度温度下加热6h。随炉缓冷，取出样品，用去离子水超声清洗三次，在37℃烘箱中干燥15min，得到处理后的锌合金吻合钉。

(4)形成可降解高分子涂层

将壳聚糖配置成溶液，室温下使用注射器吸取溶液，先于模具中注入溶液，轻轻将锌合金丝材放置于模具正中央，再缓慢向模具中注满溶液，快速将模具转移至-20℃冰箱中，预冻12h后置于冷冻干燥机内24h，材料干燥成形后取出。形成10微米左右厚度可降解高分子聚合物涂层。

(5)肠吻合器的使用：

吻合口近端肠管行荷包缝合，置入钉座并收紧，由远端肠腔插入吻合器，穿出吻合器中心穿刺器，与近端吻合器抵钉座中心杆衔接，旋转旋钮使远近端肠管肠壁逐渐靠拢，依据肠壁厚度调整吻合器抵钉座和底座的距离，或手旋转较紧为限。打开保险；用力捏紧合拢吻合扳手，闻听“咔嚓”声即表示切割吻合完毕。旋松吻合器，并轻轻自远端拉出，检查远近端肠管切除圈是否完整。

以下为锌镁合金金相照片，硬度数值，xrd结果，体外模拟环境降解实验数据：

(1)金相照片

见图3，从所得锌镁二元合金组织相貌可以看出，随着镁的加入锌合金的组织得到细化，图中较亮的部分为α-zn。

(2)硬度

表1所得锌镁合金的硬度(采用圆柱形式的样品测试，样品为轴向长度25mm，直径30mm，l1和l2分别为距离两端面轴向的距离，d1和d2为直径方向距离周边的距离长度，硬度为平均硬度)

根据金相结果得知，锌镁合金中因为镁的加入使其晶粒细化，增大了合金的晶界面积，导致位错滑移的阻力增大，而从宏观角度上就表现为合金的硬度增大。由国际硬度对照表可知镁的维氏硬度40-60hv之间，而铁的维氏硬度为315hv左右，根据实验可知，锌镁合金硬度处于镁和铁之前，其合金具有良好的塑性韧性能力，另外，很多学者研究发现，铸态锌镁合金的硬度与塑性不能达到可降解生物材料在人体支撑的作用，一般采用一定加工手段如加工硬化等改变锌镁合金的力学性能，由此使锌镁合金达到其在人体支撑作用。

(3)xrd衍射图

图4是所得锌镁二元合金x衍射测试结果可以看出合金中含有纯锌，而镁元素在合金中主要以化合态存在，根据推断合金中的化合物主要以mgzn2和mgzn11存在。根据锌镁合金二元相图可知，锌镁合金在平衡结晶时先析出α-zn相而后沿着晶界析出锌镁共晶组织，共晶组织为α-zn和mg2zn11。

(4)模拟人体环境的腐蚀速度

所得锌镁合金在生理盐水溶液中的质量损失率图的分析。

如图5锌镁合金在生理盐水中降解前的质量约在0.11g。可观察到其质量损失率有上升趋势，通过相邻的减少的质量平均值的高度差可看出降解的速率基本保持均匀降解模式，图像基本成正比例函数，可以推断出，如果植入人体不会因降解速率不稳定导致诸多问题。

锌镁合金在生理盐水中对第1,3,5,7天的试样的ph值取平均，分别为7.19,8.28，8.62，9.39，然后绘制折线统计图，如图6生理盐水ph值折线图所示，可以看出ph随时间变化呈现上升趋势，可看出生理盐水中ph值缓慢上升，最初溶液ph相比第七天的变化最大。其中，溶液偏碱性说明溶液中富含氢氧根使溶液成碱性，实验开始阶段，可观察到石块表面有气体生成，由此可推断，有氢气产生。

而表面采用可降解高分子材料后，一方面控制可降解金属的降解速率，另一方面使得植入物具有优异的生物活性和生物相容性。

(5)其他有关生物相容性的研究实验，包括血液相容性，细胞毒性，体内实验生物相容性等.

结果表明，zn-1mg、zn-1ca和zn-1sr(即也可以采用zn-1sr合金)合金的溶血率均非常低(<0.2％)，远远低于溶血安全值5％。对黏附在材料表面的血小板进行扫描电镜观察发现，所有的血小板都呈现球形，没有伪足铺展开，表明这些材料都具有良好的血液相容性。

所有锌合金浸提液中细胞存活率都要高于纯zn对照组。对于血管平滑肌细胞(vsmc)，与阴性对照相比，mg、ca和sr的加入并没有起到促进vsmc细胞增殖的作用。而对于人成骨肉瘤细胞(mg63)，合金元素的加入促进了细胞的增殖。

采用小鼠为动物模型，评价了不同的二元轧态zn-1mg、zn-1ca和zn-1sr合金在体的生物安全性和降解行为。轧态zn-1mg、zn-1ca及zn-1sr合金植入小鼠体内8周后依然保持形貌完整，说明轧态二元zn-1mg、zn-1ca和zn-1sr合金在植入体内一定时间后仍能够提供足够的力学支撑，不会产生腐蚀速率过快而导致植入体解体。从而有效地避免了由于植入物强度过早丧失而引起的植入失败的问题。同时观察到，在植入体周围的新骨生成厚度大于对照组，说明二元锌合金能够促进骨愈合和新骨形成，从而缩短骨折修复周期。免疫组化染色的结果也同样表明，轧态zn-1mg、zn-1ca和zn-1sr合金髓内针植入体可以明显地促进新骨形成，新生骨厚度远远大于对照组，而且zn-1sr合金的新骨形成能力最高。