生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种兼备抗菌，促成骨和促血管化功能的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制备方法和应用，其适合作为在人体环境下使用的植入材料，特别适合应用于骨科内植入医疗领域。
【背景技术】
[0002]镁及镁合金作为新型可降解医用材料近年来受到生物材料研宄人员及医疗工作者的密切关注，成为生物材料领域中的一个研宄热点。从生物学角度出发，镁是人体必需营养元素，在人体中正常含量为25g，绝大多数存在于骨骼、牙齿和软组织中。镁具有多种生理功能，参与体内一系列新陈代谢过程，作为酶促反应的激活剂，还与神经、肌肉及心脏功能密切相关。镁也是维持骨细胞结构和功能的必需元素，可促进成骨细胞增殖分化。因此镁具有良好的生物安全性基础。从材料学角度出发，镁及其合金具有高的比强度和比刚度，其强度可超过200MPa ;纯镁的密度在1.74g/cm3左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)相当；镁合金的杨氏模量约为45GPa，接近人骨的弹性模量(20GPa左右)，可明显减小应力遮挡效应，且具有良好的机械加工性能。另外，镁及镁合金化学性质活泼，其标准电极电位较低(-2.36V SCV)，不耐腐蚀，特别是在含有Cl—的人体体液环境中易腐蚀降解，因此可作为新一代可降解植入材料。综上所述，镁合金在保证生物安全性的前提下，兼具力学性能优势和可降解吸收的特点，具有良好的应用前景。
[0003]尽管临床应用已证实，镁合金满足生物安全性要求，但由于镁及镁合金在人体中腐蚀降解速率过快，会产生氢气，限制了镁合金作为生物植入材料的应用。此外，植入物作为异体植入体内，易诱发排异反应，产生炎症，致使周围新生组织形成缓慢等问题也阻碍了可降解镁合金走向临床应用的步伐。因此，在保证生物安全性的前提下，在降低镁合金在体液中的腐蚀降解速率的同时，赋予镁合金一些对患者康复有益的重要的生理功能，成为镁合金作为医用材料走向临床的关键。
[0004]锶是人体必需微量元素，存在于人体所有组织中。正常成人体内锶含量约为320mg，绝大部分(90wt%以上)分布在骨骼和牙齿中，对骨骼发育和牙齿健康有重要作用，其中骨骼中锶含量大约为100?120mg/kg，牙釉质中锶含量大约为300mg/kg。锶与钙在元素周期表中属于同族元素(第II族)，在体液中均以二价阳离子形式存在，有非常相似的物理化学性质，在体内的吸收途径及载体相同。锶离子参与骨的钙化，并且具有促进成骨细胞形成和抑制破骨细胞骨吸收的功能，它能促进骨骼的发育和类骨质的形成，并有调节钙代谢的作用，减少骨质疏松患者骨折的发生率。由于锶对骨组织生长的促进作用，锶已被用作制备Sr-HA骨水泥材料、在生物医用金属材料表面制备含锶涂层以及作为合金元素制备Mg-Sr 二元合金。研宄结果表明，Sr-HA骨水泥中的锶可部分取代HA中的钙，通过晶格畸变影响HA的溶解度，对骨整合有促进作用。在生物金属材料表面制备含锶涂层及Mg-Sr 二元合金，均可利用Sr2+缓慢释放诱导新生骨的形成，提高骨科植入物的生物活性。
[0005]锶在镁合金中作为一种有效的晶粒细化用微合金化元素，能够在固液界面前沿富集，产生成分过冷，阻碍晶粒长大，从而起到细化晶粒的作用。同时，合金中少量锶的加入可提高氢的溶解度，并形成SrH2新相，减少凝固过程中气孔缺陷的产生。此外，锶微合金化对镁合金中的合金相也存在明显的变质和细化作用。例如，0.1wt% Sr加入到Mg-3.8Zn-2.2Ca镁合金中可以使晶粒尺寸从200 μm以上减小到100 μπι以下。由于晶粒细化作用及含锶热稳定相的形成，以及析出相与基体之间较小的电位差，适量锶的加入可提高镁合金的室温和高温强度，改善镁合金的高温蠕变性能和耐热裂性，提高镁合金的耐腐蚀性能。例如，在含有Iwt %稀土元素的ΑΖ9ID镁合金中加入0.5wt% Sr，其耐腐蚀速率比AZ91D合金降低了 54.3% ο
[0006]铜是日常生活中最常见的金属之一，也是人体重要的微量元素。铜在正常成人体内含量约为0.1g,占体重的(0.1XlO-4) %，主要分布在肌肉、骨骼和肝脏中，对维持人的生命活动发挥着重要的作用。铜在人体内的主要作用是进行氧化还原反应，作为一种高效的催化剂，是多种酶的活化成分，在维持生命体新陈代谢方面起到重要的媒介作用。铜能促进造血机能，维护毛发正常结构及神经系统的结构和功能，抑制血栓和动脉平滑肌的变形，促进血管内皮再生，维护心血管与骨骼的健康，促进生长发育，保证内分泌功能的正常，具有多种生理功能。
[0007]此外，铜离子具有强烈的广谱抗菌功能，通过破坏细菌细胞膜结构、胞内蛋白溢出、DNA断裂等方式致使细菌死亡，对于金黄色葡萄球菌(S.aureus)、大肠杆菌(E.coli)等多种细菌都有强烈的杀灭作用。2005年，F.Heidenau等将铜离子加入到钛合金表面的二氧化钛涂层中，体外细菌检测实验表明，含铜的涂层具有明显的杀菌效果。中科院金属研宄所的杨柯等人将铜加入到317L不锈钢中，体内外实验均表明，含铜不锈钢具有明显的抗菌和抑制细菌生物膜形成的效果。
[0008]根据以上【背景技术】，本发明将适量锶、铜加入到镁中，使形成的Mg-Sr-Cu合金在保证力学性能、耐腐蚀性能良好的前提下，具有强烈抗菌作用、促成骨功能和促进血管化功能，从而避免或减少可降解镁合金植入物周围组织细菌性炎症反应的发生，并对新生骨组织细胞及血管内皮细胞的生长起到促进作用。目前国内外还没有文献或专利提出Mg-Sr-Cu系合金用作生物医用材料。
【发明内容】
[0009]针对现有生物医用可降解镁合金存在的不足，本发明旨在提供一种兼具抗菌、促成骨和促进血管化等多重功能的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制备方法和应用。该合金不仅具备优异的生物相容性，良好的力学性能和耐腐蚀性能，还具有长效抗菌功能，促进新骨形成功能，以及促进血管内皮细胞再生的功能。该合金作为一种兼具优异综合性能和多种生物医学功能的医用可降解吸收镁合金材料，具有良好的临床应用前景。
[0010]本发明的技术方案是:
[0011]—种生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，各组分及重量百分比为:Sr O?10.0%,但不包括0，Cu O?8.0 %，但不包括0，其余为Mg。
[0012]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比计，锶含量范围为:0.I ?8.
[0013]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比计，锶含量范围为:0.5 ?5.
[0014]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比计，铜含量范围为:0.01 ~ 5.0%o
[0015]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比计，铜含量范围为:0.05 ~ 2.0%o
[0016]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，含有少量的杂质元素铁、镍、铝、锰和稀土元素等中的一种或两种以上，按重量百分比计，每种含量不超过0.1 %，总量不超过 0.
[0017]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料的制备方法，具体步骤如下:
[0018](I)按所述比例称取原材料纯镁、纯锶和纯铜，其中Mg的纯净度大于等于99.99wt%，锁的纯净度大于等于99.999wt%，铜的纯净度大于等于99.9wt% ；
[0019](2)将上述原材料在90?110°C烘箱中烘干0.5?2小时；
[0020](3)将纯镁置于低碳钢坩祸中，在710?730°C的电阻炉中加热保持30?40分钟，直至纯镁完全熔化；
[0021](4)将电阻炉升温至730?750°C，将烘干的纯锶加入到纯镁熔体中，每隔10分钟搅拌I次，共搅拌3?5次，熔炼共计40?60分钟，得到溶液A ；
[0022](5)将电阻炉升温至750?780°C，向溶液A中加入烘干的纯铜铜粉，每隔10分钟搅拌I次，共搅拌2?4次，熔炼共计30?50分钟，得到溶液B ；
[0023](6)熔炼结束，将溶液B倒入预先烘干的石墨模具中，即得到Mg-Sr-Cu多元镁合金材料；
[0024]整个熔炼过程在0)2和SF 6混合气氛中进行保护，按体积百分比计，99?99.5 %的(:02和 0.5 ?1.0% SF 6。
[0025]所述的生物医用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料的应用，该合金材料由人体必需微量元素Mg、Sr、Cu组成三元镁合金体系，在Mg、Sr、Cu的协同作用下，镁合金中形成第二相:Mg2Sr、Mg2Cu、CuSr之一种或两种及以上，形成具有良好力学性能和耐腐蚀性能的多元镁合金；通过控制Mg2Sr、Mg2Cu、CuSr之一种或两种及以上第二相的含量，调节Mg、Sr、Cu离子的溶出量，使该材料发挥多种生物医学功能。该材料具有良好的生物相容性和力学性能，细胞毒性评级为O级，采用失重实验测得该系合金的降解速率为0.05?5_/年，合金的抗拉强度为80?200MPa，抗压强度为150?250MPa，在生物体液或血液环境中可腐蚀降解，对骨科常见菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有强烈的长效杀灭作用，能够促进成骨细胞增殖和分化，对血管内皮细胞的增殖、迀移、成血管环有明显促进作用。该新材料特别适合应用于骨内植入医疗领域，可作为在人体环境下使用的植入材料。
[0026]本发明的镁合金中每种元素的作用如下:
[0027](一 )对生物相容性方面的影响
[0028]锶(Sr)是人体内必需的一种微量元素，锶能维持人体正常生理功能，防治心血管疾病，与人的寿命有关。锶在人体内的代谢，与钙极
文档序号 :
【 8442484 】
技术研发人员：刘辰,杨柯,谭丽丽,万鹏
技术所有人：中国科学院金属研究所
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除
技术研发人员：刘辰,杨柯,谭丽丽,万鹏
技术所有人：中国科学院金属研究所
备 注：该技术已申请专利，仅供学习研究，如用于商业用途，请联系技术所有人。
声 明 ：此信息收集于网络，如果你是此专利的发明人不想本网站收录此信息请联系我们，我们会在第一时间删除