[发明专利]生物医用可降解吸收Mg‑Sr‑Cu合金材料及制备方法和应用

说明书

技术领域

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

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究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究热点。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。

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。

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。研究结果表明，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。

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200μm以上减小到100μm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1wt％稀土元素的AZ91D镁合金中加入0.5wt％Sr，其耐腐蚀速率比AZ91D合金降低了54.3％。

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(0.1×10^-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。