一种用于跟骨结节骨折的多角度镁合金锁定接骨板板材及其制备方法与流程

1.本发明属于医疗器械领域，涉及一种镁合金板材、其制备方法以及跟骨结节骨折多角度固定锁定接骨板。


背景技术：

2.目前应用在临床的骨科内固定器材主要包括不锈钢、钛合金和聚乳酸(pla)材料等。
3.不锈钢及钛合金等金属材料，其具有高的强度和弹性模量，能实现早期的固定作用，但是其力学性能不能随骨愈合过程动态变化，出现“应力遮挡效应”影响骨愈合，且需要手术取出，增加了患者经济、心理及身体上的负担。pla材料虽然可降解，避免了二次手术，但力学性能差，降解速率不可控，容易发生崩坏式降解。此外，pla降解产物乳酸的局部堆积引起ph值下降，易发生炎症反应。市场上常见这些材料的钉板系统在制备过程中，没有广泛采用fsp等技术，材料的微观结构未进行调整，因此这些材料的延展性、耐腐蚀性仍有提高和改进的空间。
4.镁作为人体内的常量元素，镁合金在体内可自行发生降解，无需二次手术取出；其具有轻质高强的特点，弹性模量接近骨组织，可避免应力遮挡效应；降解产物中的镁离子能刺激骨痂生成、诱导成骨、促进骨折愈合、并刺激软骨生成。
5.如何将具有优异性能的镁应用到固定器材中，对于临床应用具有重要的意义。目前，可以通过将镁制备成合金的形式作为材料应用到器材中。
6.cn101117680a公开了一种高强度镁合金及制备方法，它是以镁、铝、锌、钕为原料，在熔炼炉中熔炼，在混合气体保护下，在720℃
±
10℃熔化，780℃
±
10℃时加入镁钕中间合金，740℃
±
10℃精炼，保温，获得镁铝锌钕合金熔液，然后降温至680℃～700℃出炉，经浇铸冷却切制成型，等通道8道次转角挤压，制成高强度镁合金锭，原料配比为镁∶铝∶锌∶钕＝82∶15∶2∶1，铝占15％，铝材料来源丰富，价格低，较经济，稀土元素钕可改变镁合金的金相组织和力学性能，此制备方法工艺流程短，环境污染小，镁合金锭的抗拉强度可提高147.4％，屈服强度可提高210.6％，延伸率448.3％，金相组织致密均匀，平均晶粒尺寸≤2μm。
7.cn102828094a公开了一种变形镁合金及其制备方法，以质量百分数计，变形镁合金包括0.1％～10％的钕，10％～12％的钆，3％～5％的钇，0.5％～2％的锌，0.3％～0.8％的锆，余量的镁及不可避免的杂质。与现有技术we54相比，该方法在mg-zn-zr镁合金中加入稀土元素钕、钆和钇。首先，加入锌后合金晶界处形成大量长条mg12yzn析出相，可以阻止晶界高温下的滑移，提高了合金的高温稳定性，并且该析出相沿挤压方向统一排列，能够阻碍基面位错滑移，提高了合金的力学性能；其次，添加了钆、钇和钕三种稀土元素，可以利用稀土元素间的交互作用降低钆、钇和钕在镁基体中的固溶度，促进析出相的形成，提高了合金的力学性能。
8.现有的合金，目前都难以作为器材的材料应用到骨科中，并且其制备过程对于合金的结构影响较大，性能影响同样较大。
9.cn106916990a公开了一种用搅拌摩擦工艺制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，以铝合金为基材，以无电镀铜石墨烯为增强材料，通过搅拌摩擦工艺制备而成，包括以下步骤：1)无电镀铜石墨烯的制备；2)铝合金板预处理；3)铝合金板填入增强材料；4)摩擦搅拌加工。本发明通过摩擦搅拌工艺，将铝合金与无电镀铜石墨烯均匀混合，制得的石墨烯增强铝基复合材料克服了石墨烯易出现分布不均的缺点。该方法具有工艺简单、加工成本低、石墨烯分散效果好的特点，制备石墨烯增强铝基复合材料的适用于赛车、高速列车、航空航天、人造卫星和空间站等领域。
10.cn114147340a公开了一种搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，方法包括以下步骤：s1、选取基板和焊丝，其中，对焊丝进行烘干，对基板表面进行打磨后洗净烘干；s2、根据预设路径，以电弧为热源，在基板上通过输送焊丝逐层电弧增材、层间搅拌摩擦加工和冷却，获得由若干数量的增材铝合金层层叠形成的增材制造铝合金，其中，在步骤s2中，搅拌摩擦加工搅拌头置于电弧热源的后方。本发明的搅拌摩擦加工辅助的铝合金增材制造方法，可同步进行电弧增材制造和层间搅拌摩擦加工，通过搅拌摩擦加工引入的塑性变形来改善电弧增材铝合金的微观组织和提高力学性能，解决电弧增材制造铝合金缺陷多、组织粗大、力学性能低等问题。
11.现有的制备方法还未见有对镁合金的性能提升。因此，如何开发一种新的镁合金的加工制造方法，对于镁合金在骨科固定器材中的应用具有重要价值。


技术实现要素：

12.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于跟骨结节骨折的多角度镁合金锁定接骨板板材及其制备方法，以解决现有的镁合金板材在临床骨科器械领域中应用时，力学性能较差，耐蚀性能补强，以及提高跟骨结节骨折的固定效果，减少内固定失败率问题。
13.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
14.第一方面，本发明提供了一种用于跟骨结节骨折的多角度镁合金锁定接骨板板材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
15.(1)将镁合金材料置于电阻炉内，通入混合气体后加入纯镁第一次升温至融化，然后第二次升温，加入中间合金，接着进行第三次升温，加入中间合金，再经过第四次升温后，进行第一次降温后，将融化的镁合金材料进行冷却，得到铸态镁合金；
16.(2)将步骤(1)得到的铸态镁合金进行加工得到镁合金铸锭，经过均匀化处理后，将镁合金铸锭进行车削得到铸锭棒料，再进行挤压得到镁合金挤压板材；
17.(3)将步骤(2)得到的镁合金挤压板材进行热处理，热处理后进行轧制，得到所述镁合金板材。
18.本发明提供的制备方法，通过挤压和轧制两种方法联合应用，发挥协同效果，改变镁合金的微观结构，能够制备出具有细小晶粒尺寸的镁合金板材，从而提高了材料的耐腐蚀性，从而避免了镁合金材料的过早、过快降解，稳定而有效地发挥其力学性能。
19.在本发明中，镁合金材料可以是本领域常用的镁合金，在此不做特别限定，只要是
本领域技术人员能够应用的即可。包括但不限于mg-zn、mg-ca、mg-mn、mg-nd、mg-y、mg-sr、mg-sc、mg-gd，以及包含以下元素zn、ca、mn、nd、y、sr、sc、gd后所形成的三元、四元或五元镁合金等。
20.优选地，步骤(1)中镁合金置于电阻炉前，先将镁合金表面进行清理，去除氧化层。
21.优选地，步骤(1)中所述混合气体为二氧化碳和六氟化硫的混合气体。
22.优选地，步骤(1)中所述第一次升温的温度为650～750℃，优选为700℃；
23.优选地，步骤(1)中所述第二次升温的温度为700～750℃；优选为720℃。
24.优选地，步骤(1)中所述第三次升温的温度为710℃～750℃；优选为730℃。
25.优选地，第三次升温的温度高于第二次升温的温度。
26.优选地，步骤(1)中所述第四次升温的温度为720～750℃，优选为730℃。
27.优选等，步骤(1)中第二次升温加入的中间合金的熔点低于第三次升温加入的中间合金的熔点。
28.本发明为了让合金成分更均匀，加入的顺序是材料的熔点逐渐升高。第一次升温是是为了熔化纯镁，第二次及之后升温是为了融化中间合金，熔化温度根据中间合金的熔点可作出调整。
29.优选地，步骤(1)中所述第一次降温的温度为720～770℃，优选为750℃。
30.优选地，步骤(1)中所述冷却的温度180～220℃，优选为200℃。
31.优选地，步骤(2)中所述镁合金铸锭的直径为80～90mm，例如可以是80mm、82mm、85mm、88mm、或90mm等，优选为85mm。
32.优选地，步骤(2)中所述镁合金铸锭的长度为90～110mm，例如可以是90mm、92mm、95mm、100mm、104mm、108mm或110mm等，优选为100mm。
33.本发明中，铸锭的长度不会影响性能，直径会影响影响，直径改变会改变挤压比，影响细化晶粒效果，进而影响材料的力学性能和耐蚀性能。但小范围调整直径不会对性能产生很大影响。
34.优选地，步骤(2)中所述均匀化处理的温度为320～330℃，例如可以是320℃、322℃、325℃、328℃或330℃等，优选为325℃。本发明均匀化处理的过程，就是通过在一定温度下进行加热，使得镁合金铸锭的形态更加稳定和均匀。
35.优选地，步骤(2)中所述均匀化处理的时间为8～12h，例如可以是8h、9h、10h、11h或12h等，优选为10h。
36.优选地，步骤(2)中所述铸锭棒料的直径为70～83mm，例如可以是70mm、74mm、78mm、80mm、83mm等，优选为80mm。
37.优选地，步骤(2)中所述挤压在卧式挤压机上进行。
38.优选地，步骤(2)中所述挤压的速度为9～11mm/s。
39.优选地，步骤(2)中所述镁合金挤压板材的宽为45～55mm，例如可以是45mm、48mm、50mm、53mm或55mm等，厚度为6～10mm，例如可以是6mm、7mm、8mm、9mm或10mm等，长度为1450～1550mm，例如可以是1450mm、1470mm、1500mm、1520mm或1550mm等；优选宽为50mm，厚为8mm，长为1500mm。
40.本发明步骤(2)中挤压的过程是最为关键的步骤，通过挤压，能够细化镁合金内部的晶粒，从而通过织构强化和促进基面滑移系开动提高强度和塑性，稳定腐蚀产物层提高
耐蚀性能。
41.优选地，步骤(3)中所述热处理的温度为480～520℃，例如可以是480℃、490℃、500℃、510℃或520℃等，优选为500℃。本发明的热处理指的是将挤压后的板材进行固溶处理。
42.优选地，步骤(3)中所述轧制的机器为六辊轧机。
43.优选地，步骤(3)中所述轧制的温度为310～350℃，例如可以是310℃、320℃、330℃、340℃或350℃等，优选为330℃。
44.优选地，步骤(3)中所述镁合金板材的厚度为0.01～10mm，例如可以是0.01mm、0.1mm、1mm或10mm等，优选为1mm。
45.优选地，步骤(3)中所述镁合金板材的形变量为45％～55％，例如可以是45％、48％、50％、52％或55％等，优选为50％。
46.作为优选技术方案，本发明提供的用于跟骨结节骨折的多角度镁合金锁定接骨板板材的制备方法包括如下步骤：
47.(1)将镁合金材料的表面进行清理，去除氧化层，同时清理熔炼坩埚和浇筑坩埚，将镁合金材料置于电阻炉内，通入二氧化碳和六氟化硫的混合气体后，加入纯镁第一次升温至650～750℃融化，然后第二次升温至700～750℃，加入中间合金，接着进行第三次升温至710℃～750℃，加入中间合金，其中，第三次升温的温度高于第二次升温的温度，后加入的中间合金的熔点高于先加入的中间合金的熔点，再经过第四次升温至720～750℃后，进行第一次降温至720～770℃后，将融化的镁合金材料在180～220℃进行冷却，得到铸态镁合金；
48.(2)将步骤(1)得到的铸态镁合金进行加工得到直径为80～90mm，长度为90～110mm的镁合金铸锭，经过320～330℃、8～12h的均匀化处理后，将镁合金铸锭进行车削得到直径为70～83mm的铸锭棒料，再在卧式挤压机上以9～11mm/s的速度进行挤压得到宽为45～55mm，厚度为6～10mm，长度为1450～1550mm镁合金挤压板材；
49.(3)将步骤(2)得到的镁合金挤压板材在480～520℃下进行热处理，热处理后使用六辊轧机，在温度为310～350℃轧制，得到厚度为0.01～10mm，形变量为45％～55％的所述镁合金板材。
50.第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的制备方法制备得到的镁合金板材。
51.第三方面，本发明还提供了一种基于第二方面所述的镁合金板材形成的跟骨结节骨折多角度固定锁定接骨板，包括锁定部，其特征在于，所述锁定部上成型有呈y形分布的锁定翼和缝合翼，锁定翼、缝合翼以及锁定部上均开设有克氏针固定孔和锁定孔，所述缝合翼上还开设有缝合孔。
52.优选地，所述锁定翼上锁定孔数量为四个，其中两个锁定孔位于锁定翼远离锁定部的一端，且锁定翼端部的锁定孔采用0-15
°
倾斜范围的万向螺钉孔。
53.优选地，所述缝合翼的锁定孔位于缝合翼远离锁定部的一端，缝合孔沿该锁定孔靠近所述锁定翼的一侧半环绕分布。
54.优选地，所述锁定部上设有与其上锁定孔连通的加压孔，加压孔与该锁定孔之间形成结合孔。
55.优选地，所述缝合孔采用四个直径1.2mm的圆孔，所述锁定孔的直径为3.5mm。
56.优选地，所述锁定部、锁定翼和所述缝合翼的外边角均采用圆弧过渡。
57.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
58.本发明提供的制备方法，通过挤压和轧制两种方法联合应用，发挥协同效果，改变镁合金的微观结构，能够制备出具有细小晶粒尺寸的镁合金板材，从而提高了材料的耐腐蚀性，从而避免了镁合金材料的过早、过快降解，稳定而有效地发挥其力学性能。这样，在应用于临床常见的骨折等疾病时，镁合金板材既能在一期达到坚强固定的基本作用，还能发挥镁元素促进骨折愈合等生物学作用，又能在远期逐渐降解、避免了二次手术给患者造成的经济和心理负担，具有非常高的应用价值。
59.本发明中，跟骨结节骨折复位后将本接骨板放置于跟骨外侧壁，通过接骨板上方锁定翼钩住跟骨结节骨块，配合置于锁定孔的螺钉，对抗跟腱牵拉力，通过接骨板后方缝合翼对跟腱进行缝合固定，增强固定效果，通过克氏针固定孔调整接骨板位置，临时固定接骨板，通过接骨板锁定部位于骨折线下方的结合孔进行骨折断端加压，通过多个锁定孔将接骨板和锁定螺钉结合成一个整体，有效提高螺钉把持力。本发明有助于减少跟骨结节骨折内固定失败率。
附图说明
60.图1是本发明使用的六辊轧机示意图。
61.图2为本发明结构示意图；
62.图3为本发明侧向示意图；
63.图4为本发明的使用状态图；
64.图5为本发明使用时的另一方向示意图。
65.图中：1、锁定部；2、锁定翼；3、缝合翼；4、结合孔；5、克氏针固定孔；6、锁定孔；7、缝合孔；8、加压孔。
具体实施方式
66.为更好地说明本发明，便于理解技术方案，下面对本发明进一步详细说明。
67.本发明以下实施例中，对于制备过程中起始的镁合金材料不做特殊限定，本领域常用的镁合金材料均适用于本发明以下的制备过程。本发明以下实施例中所使用的纯镁的纯度为99.99％。
68.本发明中所使用的中间合金，可以根据合金成分不同做出任意调整，本发明不做特别限定。例如可以是纯锌、镁合金等等。
69.本发明以下实施例中，进行的性能测试方法如下：
70.力学性能：用2000目砂纸打磨拉伸待测样品表面，去除机加工过程中产生的氧化皮。室温下，在万能拉伸机上，以1mm/min的拉伸速度进行单向拉伸实验，每种试样采用三个平行样，确保结果准确可靠，根据测出应力应变的曲线获得抗拉强度(σs)、屈服强度(σ0.2)和延伸率(a)。采用fei inspect f50扫描电镜观察拉伸后的试样断口。
71.耐蚀性能：用于浸泡实验的镁合金样品尺寸为线切割加工后，依次用1200、2000目砂纸打磨待测样品表面，去除氧化皮。样品准备完毕后，将其放在盛有无水乙
醇的烧杯内部，超声清洗5min后电吹风吹干。考虑到最终作为内固定选材的应用环境，本技术中涉及耐蚀性能测试的溶液均选择hank’s溶液(具体组成为：nacl 8g/l，kcl 0.4g/l，nahco
3 0.35g/l，cacl
2 0.185g/l，mgso
4 0.2g/l，kh2po
4 0.06g/l，na2hpo
4 0.12g/l，葡萄糖1g/l)。根据astm-g31-72，将试样以20ml/cm2的比例浸入模拟肠液中，在37℃下浸泡21天，每天更换一次溶液。采用失重法评价镁合金棒材的耐蚀性能，浸泡实验之前，使用电子天平对所有样品进行称重并标号。在3、7和14天取出样品，在铬酸酸洗液(20％cro3 1％agno3 2％ba(no3)2)中超声清洗1min，依次用去离子水和无水乙醇冲洗样品。酸洗液冲洗干净后，电吹风吹干，再次用电子天平进行称重，记录样品浸泡后的重量。腐蚀速率("corrosion rate"，mm/年)的计算公式为：
72."corrosion rate＝(k
×
w)/(a
×
t
×
ρ)"
73.式中：k＝8.76
×
104；w是浸泡前后样品重量变化(g)；a是浸泡样品暴露在模拟肠液中的表面积(cm2)；t是浸泡时间(h)；ρ是材料密度(g/cm3)。
74.实施例1
75.本实施例通过以下步骤制备一种镁合金板材
76.(1)将镁合金材料的表面进行清理，去除氧化层，同时清理熔炼坩埚和浇筑坩埚，将镁合金材料置于电阻炉内，通入二氧化碳和六氟化硫的混合气体后，加入纯镁第一次升温至700℃融化，然后第二次升温至720℃，加入中间合金，待其融化，接着进行第三次升温至730℃，加入中间合金，待其完全融化，静置、搅拌、扒渣，后加入的中间合金的熔点高于先加入的中间合金的熔点，再经过第四次升温至740℃后，静置30min，进行第一次降温至750℃后，将融化的镁合金材料在200℃下，在模具中使用循环水进行冷却，得到铸态镁合金；
77.(2)将步骤(1)得到的铸态镁合金进行加工得到直径为85mm，长度为100mm的镁合金铸锭，经过325℃、10h的均匀化处理后，将镁合金铸锭进行车削得到直径为80mm的铸锭棒料，去除表面氧化皮，再在460t卧式挤压机上以10mm/s的速度进行挤压，挤压前将铸锭棒料在390℃下预热，在凹模和料筒内部涂抹高温润滑油减少摩擦，得到宽为50mm，厚度为8mm，长度为1500mm镁合金挤压板材；
78.(3)将步骤(2)得到的镁合金挤压板材在500℃下进行热处理5小时，热处理后使用六辊轧机(六辊轧机的示意图如图1所示)，在温度为330℃轧制，得到厚度为1mm，形变量为50％的镁合金板材。
79.实施例2-6制备一种镁合金板材，制备过程与实施例1基本相同，不同之处在于温度的变化以及板材尺寸的变化，具体如下表1所示(表1中升温的温度单位为℃，直径和长度的单位为mm，轧制温度的单位为℃)：
80.表1
[0081][0082]
对比例1
[0083]
本对比例与实施例1的步骤基本相同，不同之处在于本对比例制备过程不包括步骤(2)的挤压过程，直接将步骤(1)得到的铸态镁合金进行轧制得到镁合金板材。
[0084]
对比例2
[0085]
本对比例与实施例1的步骤基本相同，不同之处在于本对比例制备过程不包括步骤(3)的轧制过程，直接将步骤(1)得到的铸态镁合金进行挤压得到镁合金挤压板材。
[0086]
将上述实施例1-6与对比例1提供的镁合金板材，以及对比例2提供的镁合金挤压板材进行性能测试，包括力学性能测试、耐蚀性能测试，得到的结果如下表2所示。
[0087]
表2
[0088][0089][0090]
进一步地，将本发明实施例1提供的镁合金板材制备成为跟骨结节骨折多角度固定锁定接骨板，请参阅图2-5，其包括与跟骨外侧壁贴合的锁定部1、与跟骨结节上表面贴合的锁定翼2、用于缝合跟腱固定跟骨结节后方的缝合翼3，锁定部1、锁定翼2和缝合翼3之间固定形成y型的接骨板，锁定翼2、缝合翼3以及锁定部1上均开设有克氏针固定孔5和锁定孔6，克氏针固定孔5直径可为1.6mm，方便骨折复位过程中接骨板与骨块的临时固定和位置调整，锁定孔6的直径为3.5mm，锁定部1、锁定翼2和缝合翼3的外边角均采用圆弧过渡。
[0091]
锁定翼2放置于跟骨结节上方，与跟骨结节上表面相贴合，可勾住跟骨结节骨块，对抗跟腱牵拉力，防止骨折移位，其上锁定孔6位于跟骨结节中轴线偏外侧，便于配合跟骨外侧切口使用，防止手术过程中软组织过度牵拉和对跟腱的破坏，锁定孔内可放置拉力螺钉，对骨折块进行加压固定，或放置锁定螺钉，将接骨板螺钉固定成为一体，增加角稳定性；
[0092]
在此基础上，锁定翼2上锁定孔6数量为四个，其中两个锁定孔6位于锁定翼2远离锁定部1的一端，且锁定翼2端部的锁定孔6采用0-15
°
倾斜范围的万向螺钉孔，万向螺钉孔为本领域公知技术，如授权公告号cn 206198031 u公开的万向螺钉孔，采用万向螺钉孔允许锁定螺钉在0-15
°
倾斜范围内与接骨板锁定，便于置钉过程中调整螺钉方向，使螺钉尽量垂直骨折线固定，加强固定效果。
[0093]
锁定部1跨越骨折线，锁定部1设有与其上锁定孔6连通的加压孔8，加压孔8的直径也为3.5mm,加压孔8与该锁定孔6之间形成结合孔4，结合孔4设置于锁定部1位于骨折线下方的部分，其中，结合孔4的近骨折端为锁定孔6，远骨折端为加压孔8，便于手术过程中对骨折端进行加压。
[0094]
缝合翼3与跟骨结节后表面相贴合，缝合翼3的锁定孔6位于缝合翼3远离锁定部1的一端，缝合孔7为四个且沿该锁定孔6靠近所述锁定翼2的一侧半环绕分布，其直径为1.2mm，允许临床常用的5号编织聚酯线穿过，用5号编织聚酯线缝合跟腱加强固定，防止骨折块移位，锁定孔6用于固定跟骨结节骨块，缝合孔7用于缝合固定跟腱，增加对跟腱牵拉力的对抗，加强固定效果。
[0095]
如图3和4，在跟骨结节骨折复位后将本接骨板放置于跟骨外侧壁，通过接骨板上方锁定翼2钩住跟骨结节骨块，配合置于锁定孔6的螺钉，对抗跟腱牵拉力，通过接骨板后方缝合翼3对跟腱进行缝合固定，增强固定效果，通过克氏针固定孔5调整接骨板位置，临时固定接骨板，通过接骨板锁定部1位于骨折线下方的结合孔4进行骨折断端加压，通过多个锁定孔6将接骨板和锁定螺钉结合成一个整体，有效提高螺钉把持力，有助于减少跟骨结节骨折内固定失败率。
[0096]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0097]
本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。