可降解鎂粉熱壓成形技術介紹

摘要

鎂合金具有優秀綜合力學性能、良好生物相容性及生物可降解吸收性等特點，為理想手術材料，能增加術後追蹤之可行性與確定性。然而目前鎂合金相關醫療器械只有極少數核准上市，其原因在於目前仍有許多問題急待解決，包括：成形技術難度高、降解速率難調控及可降解金屬生物相容性評價等，均阻礙鎂合金醫材發展。

本研究為開發可降解鎂骨釘，包含可控降解鎂合金粉末製備技術、生醫陶瓷/鎂合金複合材料粉末技術及鎂合金粉末成型技術等均為國內較缺乏之技術。本文將針對可降解鎂合金粉末熱壓成形技術做介紹。

Magnesium alloy is the material with excellent mechanical properties, good biocompatibility and biodegradable absorbability. It is an ideal surgical material because of increasing the feasibility and certainty for postoperative follow-up. However, there are few approved medical devices made by magnesium alloy now. The reason is that there are still problems, including high difficulty in forming, difficult control in degradation rate, and biocompatibility evaluation of degradable metals.

This research is to develop degradable magnesium bone nails, including controllable degradation magnesium alloy powder preparation technology, biomedical ceramic/magnesium alloy composite powder technology and magnesium alloy powder molding technology are all lack of domestic technology. This article will introduce the hot press forming technology of degradable magnesium alloy powder.

關鍵詞(Keywords)

可降解、鎂合金、骨釘

Degradable, Magnesium alloy, Bone nail

前言

生物可降解鎂基金屬材料的相關臨床應用產品的研究開發是一項意義重大的創新性工作，在國際上各國相繼投入相關多資源進行相關領域之研究。基於可降解鎂基金屬的誘人臨床應用前景，美國國家自然科學基金會於2008年批准成立了“革命性醫用金屬材料”工程研究中心，已連續投資4000萬美金用於可降解鎂基金屬及其植入物產品的研究開發。德國政府支持的GKSS輕金屬研究中心已連續多年獲得每年500萬歐元的經費支持，研究開發新型可降解鎂基金屬及相關骨科植入物產品。全球骨科器材的銷售值由1999年的116億美元成長至2005年的261.4億美元，年平均複合成長率(CAGR)高達14.5%。若以產品別來看，矯正用生物性產品(Orthobiologics)在成長最快，銷售值從1999年的6億美元成長至2005年的20.7億美元，年平均複合成長率高達22.9%；脊椎植入物及器械則為第二大成長性產品，銷售值從1999年的13億美元成長至2005年的42億美元，年平均複合成長率也高達21.6%，且該產品在2001年首度超越骨折固定產品，成為骨科器材的第二大產品項目；重建元件(即人工關節)則是近4年內第三大成長性產品，銷售值從1999年的45億美元成長至2005年的96.2億美元，年平均複合成長率為13.5%，並高於全體骨科器材之成長率。因此，本產品推出後預計將影響42億美元以上。台灣目前已經有廠商投入為骨釘研發與製造並且已取得產品之CE認證、TFDA認證與FDA 510K認證核可，為專業生產骨科產品的廠商，主要產品著重在不鏽鋼與鈦合金，因此在產品之可製造與可量產性已有終端廠家可完成。並且台灣有眾多廠家在骨科產品上皆有投入研發生產關鍵零組件，而這些廠家具有相當之開發與製造能力。

然而，常用的鈦合金及不鏽鋼骨釘在人體內不可被降解吸收，導致患者在骨頭組織再生完成後需將植入物取出，遭受二次的痛苦。可降解鎂合金是一種新的生物醫用材料，優秀的機械性質和可生物吸收的降解能力，能避免二次手術從而降低患者身體負擔及二次感染的風險。

可降解鎂合金粉末製備技術

1.可降解鎂合金材料開發

依鎂鋅鈣不同比例進行合金配比開發，以VIM(真空感應熔解爐)熔解，熔解氣體分壓為0.9atm，熔解溫度690℃，並澆鑄成ψ80mm鑄棒。而後將鑄棒去皮後(去除氧化膜)，擠型製備成ψ20mm之圓棒，做為噴粉用材料。使用擠型設備為400噸，擠型溫度為350℃，擠製比為7%，可降解鎂合金粉末技術開發流程如圖1。

2.高潔淨鎂合金粉末製程技術

將擠型完成之材料置入VIGA(真空惰氣霧化製粉設備)中熔解，熔解溫度790℃，送料速10mm/min-20mm/min，初始霧化壓力20bar，霧化氣體為氬氣。依不同合金成份適度調整送料速度及霧化壓力，促使150μm過篩後的粉末粒徑D50=30μm-40μm之間。

鎂合金集粉：鎂合金具高活性，其粉末在裸態極易發生劇烈氧化而發生爆炸，因此本工作項最危險處即為集粉階段。為克服此一障礙，本研究將設計鎂合金專用集粉罐，幸運的是，由於鎂合金比重僅1.8左右，不易殘留在管內，90%以上均會進入集粉罐，在集粉罐設計上，我們將設計CO₂注入口，稀釋取下瞬間進入罐內的氧含量，並於取下後立即封罐。

鎂合金粉末過篩：由於過篩過程粉末與空氣接觸也容易產生爆炸，因此本研究將設計專用手套箱進行人工過篩，以避免發生危險。

鎂合金材料檢測：鎂合金粉末檢測項目主要包含真圓度觀察(SEM，真圓度>0.7)，粒徑檢查(雷射粒徑分析儀，D50=30μm-40μm)，成份檢測(ICP)。

圖1 可降解鎂合金粉末技術開發流程圖

鎂合金生醫陶瓷改質技術

包覆粉末的製備方法主要有氧化還原法、共沉積法與化學液相法等，其中化學意相法具有設備簡單、可操作性佳之特性，因為鎂粉表面活性佳，因此可利用此特性利用自生氧化還原之方式將所需之陶瓷材料沉積在表面上，本研究將採用化學液相沉積法制備二水磷酸氫鈣與鎂粉之複合陶瓷粉末，主要材料有Ca(NO₃)₂、 KH₂PO₄、C₁₀H₁₄N₂Na₂O₈·2H₂O， NaOH 溶液調節pH值，主要反應方式如圖2所示。

圖2 鎂生醫陶瓷生成示意圖