專利名稱：：醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及,I^^/磷酸牽丐復合材料，特別是一種適合作為在人體環(huán)境下JOT的可吸收醫(yī)用鎂合勃磷酸韓復合材料。
背景技術：
：在醫(yī)用骨修復和骨植入材料中，不銹鋼、鈦以及鈦合金因其優(yōu)良的力學性能、生物相容性和耐腐蝕性能成為應用廣泛的材料。但是不銹鋼和鈦合金的力學性能與骨組織不匹配，特別是彈性模量，因此植入體承擔了幾乎全部載荷。這樣在使用過程中M成"應力屏蔽"，導致植入體周圍的骨組織出現(xiàn)萎縮或疏松現(xiàn)象。同時，不銹鋼和鈦合錄釘、骨板等植入體在骨組織痊愈后需要后續(xù)的手術將其從人體中取出，增加了患者的痛苦和經濟負擔。研究和開發(fā)高強韌且可以在體內降解的醫(yī)用材料成為該領域中的重要發(fā)展方向?？山到飧叻肿硬牧峡梢栽隗w內降解，但是其力學鵬巨偏低，例如其彈性模量約為3-5GPa，應用于骨植入體時，無法應用于承力部位；而且高分子降解后產生酸積累，引起肌體組織炎癥。,給金的彈性模量約為40GPa，與骨組織非常t魏，可以有效地減輕不銹鋼或鈦合金植入材料造成的"應力屏蔽"現(xiàn)象。同時鎂合金的具有較高的抗拉強度，可以承受較大的載荷，應用^#組織承載部位。鎂是人體內僅次于鉀的細胞內正離子，它參與體內一系歹噺陳代謝過程，包括骨細胞的形成和加速骨愈合能力等。有證據證明鎂的損耗反過來可以弓l起骨組織停止生長，降低造骨細胞和破骨細胞的活性和導致骨質脆弱。鎂還與神經、肌肉及心臟功能關系密切。美國建議成年男子每日需攝入的鎂量為420mg。因此用鎂及鎂合金作為醫(yī)用植入材料，其腐蝕溶解的鎂離子對人體的微量釋放還是有益的。另外，微,給金的標準電極電位較低(-2.36VSCE)，不耐腐蝕，特別是在含有Cl—1離子的人體體液中容易腐蝕降解。所以,M鎂合金可以被人體吸收。ms鎂合金作為骨植入材料的研究起始于上世紀的30-40年代。盡管臨床應用已經證明鎂合金具有非常好的生物相容性，但是由于鎂和鎂合金在人體中腐蝕,的太快，會產生氫氣，限制了鎂合金作為植入材料的應用。盡管高純度鎂(比如99.99%高純鎂)具有非常好的耐NaCl腐蝕性能，但是其力學性能低，不及骨組織的力學性能。鎂合金盡管可以達到較高的強度，但是腐蝕降解速度快。另外，如何促進骨組織在鎂合金表面的早期愈合即表面骨組織相容性也是鎂合金植入材料面臨的一大難題。因此，獲得腐蝕降解速度低、具有高強韌和良好表面骨組織相容性的鎂基材料成為研究的關鍵。在骨植入材料中，磷酸轉是一類與人骨礦物質非常接近的陶瓷材料，具有很好的骨相容性。其中，羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)具有非常好的骨組織相容性和骨組織誘導性，被廣泛采用作為骨植入材料。研究者對羥基磷灰石系列骨植入材料進行了大量的研究工作。有研究指出單相的羥基磷灰石很難被人體吸收，但是含有P-磷酸朽的雙相磷灰石具有很好的可吸收性。最近的研究更指出含鎂羥基磷灰石(W丄.Suchanek^等J.SolidStateChem，277(2004):793-799)和含硅羥基磷灰石(E.S.Thian等Mater.Sci.Eng.C27(2007):251-256)與自然骨成分更接近，具有比單相羥基磷灰石更好的骨組織相容性和骨組織誘導性，成為新型改性羥基磷灰石。因此，將鎂合金與磷酸牽丐復魏來，禾擁磷酸,丐的良好骨組織相容性和骨組織誘導性以及磷酸轉降解速度慢的特點，提高鎂合金的表面骨組織相容性和骨組織誘導性，同時降低鎂合金的腐蝕速率，可以開發(fā)出具有適當腐蝕降解速率、高強韌和良好骨組織相容性和骨組織誘導性的鎂合金基骨植入材料。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的就是提供一種可應用于醫(yī)用骨植入材料的鎂合金/磷酸韓復合材料，該材料具有良好的生物相容性和滿意的耐腐蝕性能，而且能夠達到足夠的強度。本發(fā)明的技術方案是一種醫(yī)用骨植入鎂合金/磷酸鈣復合材料，含有(重*%):1-30%的磷酸,丐(雌的含量為1-20%)。磷酸f丐是磷酸f丐(CaOP205)，(3-磷酸f丐(3CaO'P205)，羥基磷灰石(Ca1Q(P04)6(OH)2)，含鎂羥基磷灰石(Mg-substitutedhydroxyapatite鎂含量范圍為0.1-3%，重量)，含硅羥基磷灰石(Si-substitutedhydroxyapatite,硅含量范圍為0.1-3%，重量)中的一種或幾種。鎂合金是高純鎂、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Zr合金中的一種。本發(fā)明中使用的磷酸轉是磷酸鈣(CaOP205)，卩-磷酸轉(3CaOP205)，羥基磷灰石(Cai。(P04)6(OH)2)，含鎂羥基磷灰石，含硅羥基磷灰石中的一種或幾種。通過調節(jié)磷酸轉組成和比例，可以適當?shù)卣{節(jié)復合材料的降解速度，也可以調節(jié)復合材料的骨組織相容性和骨組織誘導性。本發(fā)明中使用的鎂或,I^金可以是高純鎂，也可以是Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Zr合金中的一種。其中Mg-Mn合金中，按重量百分比計，含有0.1-2.0Mn。/。，鎂余量。Mg-Zn合金中，按重量百分比計，含有0.1-8%Zn，鎂余量。Mg-Ca合金中，按重量百分比計，含有0.1-5%Ca，鎂余量。Mg-Zn-Ca合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Ca含量范圍為1-4%。Mg-Zn-Mn合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Mn含量范圍為0.1-2%。Mg-Zn-Y合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Y含量范圍為14%。Mg-Zn-Zr合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Zr含量范圍為0.1-2%。合金成分的選擇一方面可以調整合金的力學性能和腐蝕降解性能，另一方面也考慮到合金腐蝕降解后對人體健康的危害。合金中采用的鋅是人體最為基本的元素之一。鋅能促進細胞的更新，是人體必需的微量元素，可增強人體的免疫功能，維持機體的生長和發(fā)育。鋅是許多蛋白質、核酸合成酶的成分，^h百種酶的活性中心。鋅又為胰島素成分，是維持生命正常活動的關鍵因素。鋅缺損可能導致人體所有的生理機能紊亂。f孟是人體生理+幾能必不可少的15種微量元素之一。人體每日需錳量約3-9mg。錳參與體內多種酶的活動，是酶的激活劑，促進新陳代謝。錳還能促使骨骼轉化，提高蛋白質的代謝，{腿維生素Bl在肝臟中的積蓄。鈣是構成植物細胞壁和動物骨骼的重要成分。參與某些重要的酶反應。在維持心臟正常收縮、神經肌肉興奮性、凝血和保持細胞膜完整性等方面起重要作用。鈣最重要的生物功能是信使作用。釔和鋯可以提高合金的強度和耐腐蝕能力。本發(fā)明的復合材料可以采用鑄造和變形相結合的方法制備。首先熔化設計的鎂或鎂合金，然后將設計好的磷酸韓粉末按一定的比例加入到合金液中，經攪拌使其均勻分布。其次，將合金液澆鑄于鑄型中成形，隨后可以采用常規(guī)的變形處理，例如扎制、鍛造、擠壓，改善其組織和力學性能，并成形為板材或棒材等。本發(fā)明的復合材料也可以采用粉末冶金和變形相結合的方法制備。將鎂或鎂合金粉末與設計的磷酸轉粉末按一定的比例混合，冷壓成型。然后在一定的溫度下燒結成形。燒結過程中可以施以壓力，提高材料的致密度和力學性能。燒結成形后的材料，也可以采用常規(guī)的變形處理，例如扎制、鍛造、擠壓，改善其組織和力學性能，并成形為板材、棒材等。本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果是1、在本發(fā)明的鎂合金/磷酸f丐復合材料中，增加了磷酸l丐成分，一方面降低鎂合金的腐蝕降解速率，另一方面可以提高^金表面的骨組織相容性和骨組織誘導性。2、在本發(fā)明中采用的磷酸轉可以一種磷灰石，也可以是幾種的混合。通過調整磷酸f丐的成分，可以調整復合材料的腐蝕降解性能，更重要的是可以調整復合材料表面的骨組織相容性和誘導特性。3、在本發(fā)明中使用的,給金中不含對人體有潛在毒副作用的合金化元素。所含的合金化元素Zn，Ca，Mn都是人體健康不可或缺的微量元素，有利于人體健康。同時，通過合金中合金元素的搭配設計，獲得最佳的力學性能和耐腐蝕性能。具體實施例方式通過下述實施例可以更好地理解本發(fā)明，但這些實例并不用來限制本發(fā)明。在以下的實施例中拉伸性能測試拉伸試驗參考國家標準GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》。拉伸試樣為片狀試樣，標距為20mm，試樣厚度為2匪。采用標距為10mm的弓l伸計測定材料的延伸率。電化學極化實驗電化學極化實驗使用的是自動腐蝕測量體系，試樣的暴露區(qū)域面積為lcm2，實驗前試樣表面用金相砂紙打磨到1000#，拋光至l)om。將試樣浸入丙酮溶液中，超聲波清洗10分鐘后，用電吹風P欠干。極化實驗在盛有500ml模擬人體^^夜燒杯中進行，溶液^lt控制在37±1。C。使用標準的三電極體系測量參比電極為飽和甘滎電極、輔助電極為鉑電極、試樣作為工作電極。掃描速度0-3mV/s。采用分析純化學試劑和蒸餾水配制模擬人體體液，其化學成份見表1。表1試驗用模擬體液的化學成分(g/L)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實施例l:將40-100jam的高純鎂粉與小于10阿的磷酸藥粉末(50%羥基磷灰石+50%|3-磷酸轉，重量比)分別按磷酸藥粉末所占的重量百分比10%，20%和30%的比例采用濕法球磨的方法混合24小時，冷壓成形。然后在真空(真空度為lxl04Pa)燒結2小時成燒結坯。最后在一定的條件下擠壓成棒材。實施例2:首先在電阻爐上熔煉Mg-1.0Zn-0.8Mn(重量百分數(shù))。合金采用99.99%純鎂、99.99%純鋅配制，合金中的錳(Mn)是以化學純MnCl的形式加入。熔煉是在體積配比為9999.5%(:02和0.51%86(六氟化硫)的保護氣氛下進行，烙煉，控制在700-800°C。然后分別按重量百分數(shù)10%，15%加入5-15nm羥基磷灰石粉末，采用機械攪拌的方法使其與鎂合金液均勻混合。隨后將合金在金屬模中鑄造成型，然后在一定的條件下擠壓成棒狀材料。實施例3:首先在電阻爐上熔煉Mg-2.0Zn-2.0Ca(重量百分數(shù))。合金采用99.99%純鎂、99.99%純鋅和金屬轉熔配。熔煉是在體積配比為99~99.5%0)2和0.51%86(六氟化硫)的f呆護氣氛下進行，熔煉^U度控制在700-800°C。然后分別按重量百分數(shù)5%和15%加入5-20nm含鎂羥基磷灰石粉末(Mg-substitutedhydroxyapatite，含鎂1.2%，重量)，采用機械攪拌的方法使其與鎂合金液均勻混合。隨后將合金在金屬模中鑄造成型，然后在一定的條件下擠壓成棒狀材料。實施例4:首先在電阻爐上熔煉Mg-3.0Zn-1.0Zr(重量百分數(shù))。合，用99.99%純鎂、99.99。/。純鋅和高純Mg-20。/。Zr中間合金熔配。熔煉是在體積配比為99~99.5%C02和0.51%SF6(六氟化硫)的保護氣氛下進行，烙煉^控制在700-820。C。然后分別按重量百分數(shù)10%，20%加入5-20阿含硅羥基磷灰石粉末(Si-substitutedhydroxyapatite,含硅1.2%，重量)，采用機械攪拌的方法使其與^金液均勻混合。隨后將合金在金屬模中鑄造成型，然后在一定的條件下擠壓成棒狀材料。實施例5:首先在電阻爐上熔煉Mg-2.0Zn-1.0Y(重量百分數(shù))。合金采用99.99%純鎂、99.99%純鋅合和Mg-20%Y中間合金熔配。熔煉是在體積配比為9999.5%0)2和0.51%SF6(六氟化硫)的保護氣氛下進行，熔煉驗控制在700-820°C。然后分別按重量百分數(shù)5%，10%加入1-5,的p-磷酸轉粉末，采用機械攪拌的方法使其與鎂合金液均勻混合。隨后將合金在金屬模中鑄造成型，然后在一定的條件下擠壓成棒狀材料。表2列出了實施例中制備的復合材料的力學性能和電化學腐蝕性能。同時也列出了幾種常見的鎂合金高純鎂(鑄態(tài))，AZ91E(鑄態(tài))和AZ31B(變形態(tài))的力學性能和電化學腐蝕鵬^。對比發(fā)現(xiàn)在鎂合金中加入了磷酸轉形成的鎂合金/磷酸轉復合材料具有非常好的耐模擬人體體液腐蝕的性能，而且復合材料仍然具有足夠的強度和韌性，可以作為骨植入材料。表2列出了幾種鎂合金材料和鎂合金基復合材料的力學性能和耐蝕性能<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>注表中HA泛指磷酸f丐，具體見實例中文字介紹。權利要求1、醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料，其特征在于，按重量百分比計，含有1-30％磷酸鈣，高純鎂或鎂合金余量。2、按照權利要求1所述的醫(yī)用鎂合^/磷酸轉復合材料，其特征在于，磷酸牽丐為CaOP205，3CaOP205，Ca1()(P04)6(OH)2，含鎂羥基磷灰石，含硅羥基磷灰石中的一種或幾種。3、按照權利要求1所述的醫(yī)用^^磷酸f丐復合材料，其f寺征在于，鎂合金是Mg-Mn、Mg-Zn或Mg-Ca二元合金系；或者，鎂合金是Mg-Zn-Ca，Mg-Zn-Y，Mg-Zn-Mn或Mg-Zn-Zr合金中的任何一種。4、按照權利要求3戶腐的醫(yī)用鎂合^/磷酸銬復合材料，其特征在于，Mg-Mn合金中，按重量百分比計，含有0.1-2.0Mn。/。，鎂余量。5、按照權禾腰求3戶艦的醫(yī)用鎂合金/磷酸藥復合材料，其特征在于，Mg-Zn合金中，按重量百分比計，含有0.1-8%Zn，鎂余量。6、按照權禾腰求3戶腿的醫(yī)用鎂合金/磷酸f丐復合材料，其特征在于，Mg-Ca合金中，按重量百分比計，含有0.1-5%Ca，鎂余量。7、按照權利要求3所述的醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料，其特征在于，Mg-Zn-Ca合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Ca含量范圍為1-4%C8、按照權利要求3所述的醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料，其特征在于，Mg-Zn-Mn合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Mn含量范圍為0.1-2%。9、按照權利要求3所述的醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料，其特征在于，Mg-Zn-Y合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Y含量范圍為1-4%。10、按照權利要求3所述的醫(yī)用鎂合金/磷酸鈣復合材料，其特征在于，Mg-Zn-Zr合金中，按重量百分比計，Zn含量范圍為1-8%，Zr含量范圍為0.1-2%。全文摘要本發(fā)明涉及一種可以應用于醫(yī)用植入材料的鎂合金/磷酸鈣復合材料，特別適合作為人體環(huán)境下使用的可吸收骨植入材料。它含有(重量％)1-30％磷酸鈣。磷酸鈣可以是磷酸鈣(CaO·P₂O₅)，β-磷酸鈣(3CaO·P₂O₅)，羥基磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂)，含鎂羥基磷灰石，含硅羥基磷灰石中的一種或幾種。鎂合金可以是高純鎂、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn和Mg-Zn-Zr合金中的任何一種。在本發(fā)明的鎂合金基復合材料中，通過調整羥基磷灰石的含量，可以有效地改變復合材料的強度；同時，降低鎂合金的腐蝕降解速率，提高鎂合金基復合材料的表面生物相容性和生物誘導性。文檔編號A61L27/42GK101347639SQ20071001220公開日2009年1月21日申請日期2007年7月20日優(yōu)先權日2007年7月20日發(fā)明者張二林,輝杜,柯楊申請人:中國科學院金屬研究所