專利名稱：鈦合金—膠原—羥基磷灰石骨修復材料及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料及其制備方法，應用鈦合金、羥 基磷灰石和膠原，構(gòu)建成鈦合金一膠原-羥基磷灰石骨修復材料，本材料具有優(yōu)越的力學性 能和生物學性能，可以用于各種形狀和情況的骨缺損修復。本發(fā)明屬生物材料技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
由創(chuàng)傷或腫瘤切除造成的骨缺損在臨床上很常見，它們不但會導致患者生理功能發(fā)生嚴 重障礙，還會嚴重影響患者的外觀形象，給患者造成沉重的精神負擔。目前臨床上使用的骨 修復材料主要有自體骨、異體骨和生物材料(惰性金屬、高分子聚合物、陶瓷材料等)。自體 骨移植廣泛應用在臨床，其修復效果好，但卻存在嚴重的供體不足，還給患者增加痛苦；在 2006年《口腔醫(yī)學研究》03期上，胡敏等嘗試使用凍干同種異體骨移植修復頜骨缺損，但 應用中發(fā)現(xiàn)，凍干異體骨韌性較差，存在再塑形困難。又如Keating等2001年在J Bone Joint SurgBr.第l期上說闡述晶體類材料缺乏生物活性或不能被機體降解吸收，而且脆性較大， 一旦受到臨界的外加負荷，材料的斷裂具有災難性的嚴重后果；膠原基材料生物相容性良好， 但作為硬組織修復材料，其強度和硬度還有不足，不能完全滿足骨缺損修復的要求。金屬材料是最早用于臨床的生物醫(yī)用材料。近年來，醫(yī)用高分子、生物陶瓷、雜化、衍 生及復合等系列材料雖有長足發(fā)展，但在承力硬組織植入件如骨、牙及關(guān)節(jié)種植體等方面尚 不能取代金屬材料。目前，醫(yī)用金屬材料及其制品在整個生物材料制品市場所占份額仍高達 45 50%。因此，從現(xiàn)在到將來相當一段時間內(nèi)，醫(yī)用金屬仍然是臨床首選的人體硬組織修復 和替代材料。醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金和鈦合金三大系列。不銹鋼和鈷合金含有 臨床上具有潛在細胞毒性的Ni、 Co、 V等元素，同時存在彈性模量過高和在體液環(huán)境中腐蝕 等問題，在臨床應用上呈下降趨勢。鈦及其合金密度小、比強度高、彈性模量遠低于不銹鋼 和鈷合金、耐腐蝕、易加工成型，而且力學性能寬域可調(diào)，加之豐富的資源優(yōu)勢，因此通過 研究和改進，鈦及其合金可以成為滿足臨床醫(yī)學要求的硬組織修復和替代的基礎結(jié)構(gòu)材料[5]。但隨著金屬類材料在臨床使用的增加，學著們發(fā)現(xiàn)，金屬材料不能與骨組織發(fā)生化學鍵 結(jié)合，且材料在體液作用下，能持續(xù)釋放金屬離子，這些離子影響局部組織代謝，使機體組 織對其發(fā)生排斥反應，最終在金屬周圍形成纖維包裹，隨著時間的延長，包裹逐漸增厚、鈣 化，最終形成纖維囊樣變。同時由于金屬組織的彈性模量和骨組織的差異(骨組織的剛性 E=3.5-15GPa，金屬的剛性E = 100-200GPa)，而導致的植入物松動、折斷的情況液常有發(fā)生。 骨在多孔金屬表面的長入依賴于多種因素，如表面的孔隙率，植入物與骨之間的穩(wěn)定性和微 小移動，宿主骨是骨小梁還是皮質(zhì)骨，以及植入物在骨表面的孔隙的存在。骨直接長入金屬， 或骨直接在鈦合金表面形成的試驗已被證實，但是同時發(fā)現(xiàn)其中存在一個纖維層。骨生長的 程度和固定的可靠性因植入物與骨之間的微小移動而明顯降低。更完全的生長是通過骨與金 屬表面之間長時間的直接接觸來達到。在分析了天然骨的結(jié)構(gòu)特點后，我們嘗試以人體內(nèi)骨組織的兩種基本成分膠原 (collagen,以下記作Col)和羥基磷灰石(Hydroxyapatite，以下記作HA)覆蓋在鈦合金金 屬表面，以改善鈦合金的生物學性質(zhì)，構(gòu)建具有優(yōu)秀力學強度和生物活性的骨修復材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料。本發(fā)明另一 目的是提 出鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料的制備方法。克服已有鈦合金骨修復材料在生物學 性能方面的缺陷，膠原及羥基磷灰石類骨修復材料在力學性能方面的缺陷。在這種材料中我們通過三維重建和快速成型技術(shù)，制成一定形狀的鈦合金網(wǎng)狀支架，將 羥基磷灰石、膠原均相溶漲液通過反應，沉淀在鈦支架表面，構(gòu)建成以鈦合金為骨架體系，表面覆蓋'膠原、羥基磷灰石復合多孔材料的骨修復材料。增加了骨修復材料的強度和韌性； 同時增加了材料整體的骨修復能力。制備出有較高強度，適當孔隙率.且生物相容性好的骨替代材料。鈦合金一膠原一羥基磷灰石 鈦l金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料由鈦合金、膠原和羥基磷灰石構(gòu)成，ioo呢材料中膠原重量為10mg，羥基磷灰石重量為10mg 30mg，鈦合金重量為80mg 60mg。 鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料具有二級三維多孔的結(jié)構(gòu)特點，鈦合金支架的孔 徑設計在lmm 10ram之間，在鈦合金表面覆蓋的膠原一羥基磷灰石復合物內(nèi)有50 300 tim的孑L徑。在鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料中，羥基磷灰石和膠原復合物覆蓋在網(wǎng)狀鈦合金表面。i合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料中鈦合金材料滿足以下力學性能R論8500MPa， Rp。^700MPa， A^12%;膠原一羥基磷灰石材料滿足以下力學性能斷裂強度范圍為1~ 10.0Mpa，延展范圍為102% 110%。鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料在體內(nèi)鈦合金不降解，膠原一羥基磷灰石復合材 料在體內(nèi)可以完全降解，。鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料的制備方法包括下述步驟-1) 按照一定的形態(tài)要求，通過快速成型技術(shù)，將鈦合金制成具有一定形態(tài)和孔隙的鈦 網(wǎng)支架。2) 將膠原溶漲在0. 3%的丙二酸溶液中，配制固含量為0. 5 1 %的膠原溶漲液。3) 按重量比為1: 1 5，稱取膠原溶漲液和羥基磷灰石粉末，將羥基磷灰石粉末加入 膠原溶漲液中，通過攪拌，攪拌速度為100 500轉(zhuǎn)/分，攪拌時間為5 — 10分鐘， 將結(jié)晶羥基磷灰石粉末均勻分散于膠原溶液中，使二者均勻分散，得到羥基磷灰石 —膠原分散液。4) 將鈦合金支架浸沒在羥基磷灰石一膠原分散液中，調(diào)整pH值在7 10之間，使膠 原、羥基磷灰石在鈦或鈦網(wǎng)支架表面析出。5) 將支架置于一2(TC^^—60C預凍4小時，冷凍干燥24小時，得到鈦合金—膠原一 結(jié)晶羥基磷灰石骨修復材料支架。6) 加入0.25%戊二醛交聯(lián)液，室溫下交聯(lián)2小時。將交聯(lián)后的材料，放入雙蒸水中反 復清洗十次，去除支架中殘留的戊二醛。7) 把清洗干凈的支架，在—20'C 一60C預凍4小時，冷凍干燥24小時。8) 將鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料分別裝入雙層聚乙烯薄膜小袋中，封口后 Y射線輻射滅菌，輻照強度為50 250萬拉德，時間為24 48小時。鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料具有二級三維孔徑體系，鈦合金支架的孔徑設計 在lmm 10mm之間，在鈦合金表面覆蓋的膠原一羥基磷灰石復合物內(nèi)有50 300ym的孔徑。 鈦合金、膠原和羥基磷灰石共同構(gòu)成具有規(guī)則形態(tài)的二級三維支架結(jié)構(gòu)，孔隙率達到50 80 %。由于鈦骨架的支撐作用，這些孔隙具有很好的穩(wěn)定性，不會由于外力的存在而變形。由 于膠原一羥基磷灰石復合物分布在材料的表面，相對于傳統(tǒng)的釹金屬骨修復材料，本材料擁 有更優(yōu)越的生物相容性和親水性能。


圖1:鈦合金骨小梁支架的結(jié)構(gòu)2:膠原一羥基磷灰石層的掃描電鏡照片
具體實施例方式實施例1: 按照一定的形態(tài)要求，通過快速成型技術(shù)，將鈦合金制成具有一定形態(tài)的多孔支架。將膠原 溶漲在0.3%的丙二酸溶液中，配置固含量為0.5%的膠原溶漲液。按重量比為1: 2，稱取 膠原溶漲液和羥基磷灰石，將羥基磷灰石加入膠原溶漲液中，通過攪拌，攪拌速度為300轉(zhuǎn)/ 分，攪拌時間為7分鐘，將結(jié)晶羥基磷灰石均勻分散于膠原溶液中，使二者均勻分散，得到 羥基磷灰石一膠原分散液。將鈦合金支架浸沒在羥基磷灰石一膠原分散液中，調(diào)整pH值在8， 使膠原、羥基磷灰石在鈦骨架表面析出。將支架置于一4(TC預凍4小時，冷凍干燥24小時， 得到鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料。加入0.25%戊二醛交聯(lián)液，室溫下交聯(lián)2小時。 將交聯(lián)后的材料，放入雙蒸水中反復清洗十次，去除支架中殘留的戊二醛。把清洗千凈的支 架，在—4(TC預凍4小時，冷凍干燥24小時。將鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料分別 裝入雙層聚乙烯薄膜小袋中，封口后Y射線輻射滅菌，輻照強度為100萬拉德，時間為48小 時。樣品表層形態(tài)如圖2掃描電鏡觀察(SEM)所示。取骨修復材料樣品，表面鍍金后，用HITACHI S—3500N掃描電鏡觀察。實施例2:按照一定的形態(tài)要求，通過快速成型技術(shù)，將鈦合金制成具有一定形態(tài)的多孔支架。將膠原 溶漲在0.3%的丙二酸溶液中，配置固含量為1%的膠原溶漲液。按重量比為1: 5，稱取膠 原溶漲液和羥基磷灰石，將羥基磷灰石加入膠原溶漲液中，通過攪拌，攪拌速度為500轉(zhuǎn)/ 分，攪拌時間為10分鐘，將結(jié)晶羥基磷灰石均勻分散于膠原溶液中，使二者均勻分散，得到 羥基磷灰石一膠原分散液。將鈦合金支架浸沒在羥基磷灰石一膠原分散液中，調(diào)整pH值在 10，使膠原、羥基磷灰石在鈦骨架表面析出。將支架置于一6(TC預凍4小時，冷凍干燥24小 時，得到鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料。加入0.25%戊二醛交聯(lián)液，室溫下交聯(lián)2 小時。將交聯(lián)后的材料，放入雙蒸水中反復清洗十次，去除支架中殘留的戊二醛。把清洗干 凈的支架，在一6(TC預凍4小時，冷凍干燥24小時。將鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材 料分別裝入雙層聚乙烯薄膜小袋中，封口后Y射線輻射滅菌，輻照強度為200萬拉德，時間 為48小時。
權(quán)利要求
1. 一種鈦合金-膠原-羥基磷灰石骨修復材料，其特征在于它由鈦合金、膠原和羥基磷灰石構(gòu)成，100mg材料中膠原重量為10mg，羥基磷灰石重量為10mg～30mg，鈦合金重量為80mg～60mg。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料，其空間結(jié)構(gòu)特征在于具 有二級三維多孔的結(jié)構(gòu)特點，鈦合金支架的孔徑設計在lmm 10mm之間，在鈦合金表面覆蓋的膠原一羥基磷灰石復合物內(nèi)有50 300n m的孔徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料，其位相結(jié)構(gòu)特征在于，在本發(fā)明骨修復材料中，羥基磷灰石和膠原復合物覆蓋在網(wǎng)狀鈦 合金表面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金—膠原—羥基磷灰石骨修復材料，其強度特征在于其中鈦 合金材料滿足以下力學性能Rm^8500MPa， Rp。.^700MPa， A5^12%;膠原一羥基磷灰石材 料滿足以下力學性能斷裂強度范圍為1 10.0Mpa，延展范圍為102% 110%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金一膠原—羥基磷灰石骨修復材料，其降解特征在于在體內(nèi) 鈦合金不降解，膠原一羥基磷灰石復合材料在體內(nèi)可以完全降解。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金一膠原一羥基磷灰石骨修復材料的制備方法，其特征在于 它是包括下述步驟-1) 按照一定的形態(tài)要求，通過快速成型技術(shù)，將鈦合金制成具有一定形態(tài)和孔隙的鈦網(wǎng) 支架。2) 將膠原溶漲在0.3。^的丙二酸溶液中，配制固含量為0.5 1%的膠原溶漲液。3) 按重量比為1: 1 5，稱取膠原溶漲液和羥基磷灰石粉末，將羥基磷灰石粉末加入膠 原溶漲液中，通過攪拌，攪拌速度為100 500轉(zhuǎn)/分，攪拌時間為5—10分鐘，將結(jié) 晶羥基磷灰石粉末均勻分散于膠原溶液中，使二者均勻分散，得到羥基磷灰石一膠原 分散液。4) 將鈦合金支架浸沒在羥基磷灰石一膠原分散液中，調(diào)整pH值在7 10之間，使膠原、 羥基磷灰石在鈦或鈦網(wǎng)支架表面析出。5) 將支架置于一2(TC 一6(TC預凍4小時，冷凍干燥24小時，得到鈦合金一膠原一結(jié) 晶羥基磷灰石骨修復材料支架。6) 加入0. 25%戊二醛交聯(lián)液，室溫下交聯(lián)2小時。將交聯(lián)后的材料，放入雙蒸水中反復 清洗十次，去除支架中殘留的戊二醛。 7) 把清洗干凈的支架，在一2(TC 一60。C預凍4小時，冷凍干燥24小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦合金—膠原—羥基磷灰石骨修復材料及其制備方法。首先通過三維重建和快速成型技術(shù)構(gòu)建具有一定形態(tài)的鈦合金網(wǎng)狀支架，再將羥基磷灰石微晶體分散于膠原溶漲液。將鈦合金網(wǎng)狀骨架浸沒在膠原—羥基磷灰石分散液中，調(diào)整pH值到8-12之間，使膠原、羥基磷灰石同時析出，覆蓋在鈦合金網(wǎng)狀支架表面，再通過冷凍干燥的過程得到本發(fā)明材料，在本發(fā)明制備的材料中，羥基磷灰石—膠原復合物分布在鈦合金網(wǎng)狀支架小梁的表面。
文檔編號A61L27/06GK101229394SQ200710001060
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月24日
發(fā)明者張立海, 敏 胡 申請人:張立海;胡 敏