生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種兼?zhèn)淇咕?，促成骨和促血管化功能的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制備方法和應用，其適合作為在人體環(huán)境下使用的植入材料，特別適合應用于骨科內植入醫(yī)療領域。
【背景技術】
[0002]鎂及鎂合金作為新型可降解醫(yī)用材料近年來受到生物材料研宄人員及醫(yī)療工作者的密切關注，成為生物材料領域中的一個研宄熱點。從生物學角度出發(fā)，鎂是人體必需營養(yǎng)元素，在人體中正常含量為25g，絕大多數(shù)存在于骨骼、牙齒和軟組織中。鎂具有多種生理功能，參與體內一系列新陳代謝過程，作為酶促反應的激活劑，還與神經(jīng)、肌肉及心臟功能密切相關。鎂也是維持骨細胞結構和功能的必需元素，可促進成骨細胞增殖分化。因此鎂具有良好的生物安全性基礎。從材料學角度出發(fā)，鎂及其合金具有高的比強度和比剛度，其強度可超過200MPa ;純鎂的密度在1.74g/cm3左右，與人骨的密質骨密度(1.75g/cm3)相當；鎂合金的楊氏模量約為45GPa，接近人骨的彈性模量(20GPa左右)，可明顯減小應力遮擋效應，且具有良好的機械加工性能。另外，鎂及鎂合金化學性質活潑，其標準電極電位較低(-2.36V SCV)，不耐腐蝕，特別是在含有Cl—的人體體液環(huán)境中易腐蝕降解，因此可作為新一代可降解植入材料。綜上所述，鎂合金在保證生物安全性的前提下，兼具力學性能優(yōu)勢和可降解吸收的特點，具有良好的應用前景。
[0003]盡管臨床應用已證實，鎂合金滿足生物安全性要求，但由于鎂及鎂合金在人體中腐蝕降解速率過快，會產(chǎn)生氫氣，限制了鎂合金作為生物植入材料的應用。此外，植入物作為異體植入體內，易誘發(fā)排異反應，產(chǎn)生炎癥，致使周圍新生組織形成緩慢等問題也阻礙了可降解鎂合金走向臨床應用的步伐。因此，在保證生物安全性的前提下，在降低鎂合金在體液中的腐蝕降解速率的同時，賦予鎂合金一些對患者康復有益的重要的生理功能，成為鎂合金作為醫(yī)用材料走向臨床的關鍵。
[0004]鍶是人體必需微量元素，存在于人體所有組織中。正常成人體內鍶含量約為320mg，絕大部分(90wt%以上)分布在骨骼和牙齒中，對骨骼發(fā)育和牙齒健康有重要作用，其中骨骼中鍶含量大約為100?120mg/kg，牙釉質中鍶含量大約為300mg/kg。鍶與鈣在元素周期表中屬于同族元素(第II族)，在體液中均以二價陽離子形式存在，有非常相似的物理化學性質，在體內的吸收途徑及載體相同。鍶離子參與骨的鈣化，并且具有促進成骨細胞形成和抑制破骨細胞骨吸收的功能，它能促進骨骼的發(fā)育和類骨質的形成，并有調節(jié)鈣代謝的作用，減少骨質疏松患者骨折的發(fā)生率。由于鍶對骨組織生長的促進作用，鍶已被用作制備Sr-HA骨水泥材料、在生物醫(yī)用金屬材料表面制備含鍶涂層以及作為合金元素制備Mg-Sr 二元合金。研宄結果表明，Sr-HA骨水泥中的鍶可部分取代HA中的鈣，通過晶格畸變影響HA的溶解度，對骨整合有促進作用。在生物金屬材料表面制備含鍶涂層及Mg-Sr 二元合金，均可利用Sr2+緩慢釋放誘導新生骨的形成，提高骨科植入物的生物活性。
[0005]鍶在鎂合金中作為一種有效的晶粒細化用微合金化元素，能夠在固液界面前沿富集，產(chǎn)生成分過冷，阻礙晶粒長大，從而起到細化晶粒的作用。同時，合金中少量鍶的加入可提高氫的溶解度，并形成SrH2新相，減少凝固過程中氣孔缺陷的產(chǎn)生。此外，鍶微合金化對鎂合金中的合金相也存在明顯的變質和細化作用。例如，0.1wt% Sr加入到Mg-3.8Zn-2.2Ca鎂合金中可以使晶粒尺寸從200 μm以上減小到100 μπι以下。由于晶粒細化作用及含鍶熱穩(wěn)定相的形成，以及析出相與基體之間較小的電位差，適量鍶的加入可提高鎂合金的室溫和高溫強度，改善鎂合金的高溫蠕變性能和耐熱裂性，提高鎂合金的耐腐蝕性能。例如，在含有Iwt %稀土元素的ΑΖ9ID鎂合金中加入0.5wt% Sr，其耐腐蝕速率比AZ91D合金降低了 54.3% ο
[0006]銅是日常生活中最常見的金屬之一，也是人體重要的微量元素。銅在正常成人體內含量約為0.1g,占體重的(0.1XlO-4) %，主要分布在肌肉、骨骼和肝臟中，對維持人的生命活動發(fā)揮著重要的作用。銅在人體內的主要作用是進行氧化還原反應，作為一種高效的催化劑，是多種酶的活化成分，在維持生命體新陳代謝方面起到重要的媒介作用。銅能促進造血機能，維護毛發(fā)正常結構及神經(jīng)系統(tǒng)的結構和功能，抑制血栓和動脈平滑肌的變形，促進血管內皮再生，維護心血管與骨骼的健康，促進生長發(fā)育，保證內分泌功能的正常，具有多種生理功能。
[0007]此外，銅離子具有強烈的廣譜抗菌功能，通過破壞細菌細胞膜結構、胞內蛋白溢出、DNA斷裂等方式致使細菌死亡，對于金黃色葡萄球菌(S.aureus)、大腸桿菌(E.coli)等多種細菌都有強烈的殺滅作用。2005年，F(xiàn).Heidenau等將銅離子加入到鈦合金表面的二氧化鈦涂層中，體外細菌檢測實驗表明，含銅的涂層具有明顯的殺菌效果。中科院金屬研宄所的楊柯等人將銅加入到317L不銹鋼中，體內外實驗均表明，含銅不銹鋼具有明顯的抗菌和抑制細菌生物膜形成的效果。
[0008]根據(jù)以上【背景技術】，本發(fā)明將適量鍶、銅加入到鎂中，使形成的Mg-Sr-Cu合金在保證力學性能、耐腐蝕性能良好的前提下，具有強烈抗菌作用、促成骨功能和促進血管化功能，從而避免或減少可降解鎂合金植入物周圍組織細菌性炎癥反應的發(fā)生，并對新生骨組織細胞及血管內皮細胞的生長起到促進作用。目前國內外還沒有文獻或專利提出Mg-Sr-Cu系合金用作生物醫(yī)用材料。

【發(fā)明內容】

[0009]針對現(xiàn)有生物醫(yī)用可降解鎂合金存在的不足，本發(fā)明旨在提供一種兼具抗菌、促成骨和促進血管化等多重功能的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料及制備方法和應用。該合金不僅具備優(yōu)異的生物相容性，良好的力學性能和耐腐蝕性能，還具有長效抗菌功能，促進新骨形成功能，以及促進血管內皮細胞再生的功能。該合金作為一種兼具優(yōu)異綜合性能和多種生物醫(yī)學功能的醫(yī)用可降解吸收鎂合金材料，具有良好的臨床應用前景。
[0010]本發(fā)明的技術方案是:
[0011]—種生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，各組分及重量百分比為:Sr O?10.0%,但不包括0，Cu O?8.0 %，但不包括0，其余為Mg。
[0012]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比計，鍶含量范圍為:0.I ?8.
[0013]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比計，鍶含量范圍為:0.5 ?5.
[0014]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比計，銅含量范圍為:0.01 ~ 5.0%o
[0015]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，按重量百分比計，銅含量范圍為:0.05 ~ 2.0%o
[0016]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料，含有少量的雜質元素鐵、鎳、鋁、錳和稀土元素等中的一種或兩種以上，按重量百分比計，每種含量不超過0.1 %，總量不超過 0.
[0017]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料的制備方法，具體步驟如下:
[0018](I)按所述比例稱取原材料純鎂、純鍶和純銅，其中Mg的純凈度大于等于99.99wt%，鎖的純凈度大于等于99.999wt%，銅的純凈度大于等于99.9wt% ；
[0019](2)將上述原材料在90?110°C烘箱中烘干0.5?2小時；
[0020](3)將純鎂置于低碳鋼坩禍中，在710?730°C的電阻爐中加熱保持30?40分鐘，直至純鎂完全熔化；
[0021](4)將電阻爐升溫至730?750°C，將烘干的純鍶加入到純鎂熔體中，每隔10分鐘攪拌I次，共攪拌3?5次，熔煉共計40?60分鐘，得到溶液A ；
[0022](5)將電阻爐升溫至750?780°C，向溶液A中加入烘干的純銅銅粉，每隔10分鐘攪拌I次，共攪拌2?4次，熔煉共計30?50分鐘，得到溶液B ；
[0023](6)熔煉結束，將溶液B倒入預先烘干的石墨模具中，即得到Mg-Sr-Cu多元鎂合金材料；
[0024]整個熔煉過程在0)2和SF 6混合氣氛中進行保護，按體積百分比計，99?99.5 %的(:02和 0.5 ?1.0% SF 6。
[0025]所述的生物醫(yī)用可降解吸收Mg-Sr-Cu合金材料的應用，該合金材料由人體必需微量元素Mg、Sr、Cu組成三元鎂合金體系，在Mg、Sr、Cu的協(xié)同作用下，鎂合金中形成第二相:Mg2Sr、Mg2Cu、CuSr之一種或兩種及以上，形成具有良好力學性能和耐腐蝕性能的多元鎂合金；通過控制Mg2Sr、Mg2Cu、CuSr之一種或兩種及以上第二相的含量，調節(jié)Mg、Sr、Cu離子的溶出量，使該材料發(fā)揮多種生物醫(yī)學功能。該材料具有良好的生物相容性和力學性能，細胞毒性評級為O級，采用失重實驗測得該系合金的降解速率為0.05?5_/年，合金的抗拉強度為80?200MPa，抗壓強度為150?250MPa，在生物體液或血液環(huán)境中可腐蝕降解，對骨科常見菌大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等有強烈的長效殺滅作用，能夠促進成骨細胞增殖和分化，對血管內皮細胞的增殖、迀移、成血管環(huán)有明顯促進作用。該新材料特別適合應用于骨內植入醫(yī)療領域，可作為在人體環(huán)境下使用的植入材料。
[0026]本發(fā)明的鎂合金中每種元素的作用如下:
[0027](一 )對生物相容性方面的影響
[0028]鍶(Sr)是人體內必需的一種微量元素，鍶能維持人體正常生理功能，防治心血管疾病，與人的壽命有關。鍶在人體內的代謝，與鈣極