可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料及其制備方法；所述鎂及鎂合金生物材料為完全開孔結(jié)構(gòu)，孔型及尺寸可控，孔與孔之間由連通孔相通，且孔壁上的連通孔的數(shù)量及大小可控；該材料孔隙整體均勻分布，孔隙率可調(diào)。制備時(shí)，將氯化鈉晶體顆粒進(jìn)行燒結(jié)，得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制結(jié)構(gòu)；將鎂或鎂合金熔液澆入放有氯化鈉預(yù)制體的模腔，進(jìn)行壓力滲流鑄造；除去含有氯化鈉預(yù)制體的鎂或鎂合金塊體外表皮，堿洗，濾除氯化鈉，即得。本發(fā)明制備工藝簡單，操作方便，無污染，制得的開孔多孔結(jié)構(gòu)孔隙貫通分布均勻，孔隙形貌及尺寸可控，且孔隙率以及強(qiáng)度較高，無造孔劑殘留和閉孔現(xiàn)象，同時(shí)降解速率可調(diào)，可作為新一代可降解骨組織工程支架。
【專利說明】可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到開孔多孔材料設(shè)計(jì)方法，涉及一種用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在生物醫(yī)用金屬材料中，鎂及鎂合金憑借其優(yōu)良的綜合性能，具有生物材料所具有的良好力學(xué)性能、生物相容性和可體內(nèi)降解性能，被認(rèn)為是目前最有吸引力的生物材料之一，是骨內(nèi)植物、血管支架、齒科矯形植入體的首選材料。而具有三維貫通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔生物材料，能夠有效誘導(dǎo)骨組織及人體組織的生長和再生融入的特性，使骨植入體不發(fā)生松動(dòng)和脫落，并且還具有體液運(yùn)輸?shù)奶卣?，同時(shí)通過對多孔材料的孔隙控制可以調(diào)整植入體的力學(xué)性能，使其與自體骨力學(xué)性能匹配(文獻(xiàn):Scott J.Hollister, Porousscaffold design for tissue engineering, Nature Materials(2005)4:518-524)。
[0003]目前，多數(shù)研究人員采用粉末燒結(jié)的方式制備多孔鎂及鎂合金，為了提高孔隙率和滲透性，往往會(huì)在金屬粉末中加入某種造孔劑，例如NH4HCO3、CO (NH2) 2、SiN、硬脂酸和甲基纖維素等。但是在粉末燒結(jié)過程中由于多數(shù)造孔劑本身的顆粒形貌并不均勻，顆粒之間也不能建立有效的融合接觸點(diǎn)，因此不能保證孔型的均勻性和孔隙的連通性倉泛(C.E.Wen, et al, Processing of b1compatible porous Ti and Mg, ScriptaMaterilia45 (2011) 1147-1153)。因此，需要一種新的造孔劑以及一種新的多孔結(jié)構(gòu)制備方法，徹底解決目前在多孔結(jié)構(gòu)制備中存在的問題，實(shí)現(xiàn)孔隙分布均勻，孔型及孔徑尺寸可控，同時(shí)具有連通孔的開孔多孔生物材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料及其制備方法。該可降解開孔多孔鎂及鎂合金材料為可降解開孔多孔鎂或可降解開孔多孔鎂合金。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]第一方面，本發(fā)明涉及一種可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料，所述開孔多孔鎂及鎂合金生物材料為完全開孔結(jié)構(gòu)，孔型及尺寸可控，孔與孔之間由連通孔相通，且孔壁上的連通孔的數(shù)量及大小可控；所述開孔多孔鎂及鎂合金材料孔隙整體均勻分布，孔隙率可調(diào)。
[0007]優(yōu)選的，所述開孔多孔鎂及鎂合金材料的直徑為3?200mm,高度為3?200mm ;壓縮強(qiáng)度為3?60MPa。更優(yōu)選壓縮強(qiáng)度為7?35MPa。
[0008]優(yōu)選的，所述孔型為球形、立方形或不規(guī)則形，孔徑為100?1000 μ m，孔隙率為50 ?90%。
[0009]優(yōu)選的，所述連通孔孔徑為30?400 μ m,單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為3?10個(gè)。
[0010]第二方面，本發(fā)明還涉及前述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0011]步驟1，將氯化鈉晶體顆粒進(jìn)行燒結(jié)，得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制塊體；
[0012]步驟2，將鎂或鎂合金熔液澆注入放有氯化鈉預(yù)制體的模腔，進(jìn)行壓力滲流鑄造；
[0013]步驟3，除去含有氯化鈉預(yù)制體的鎂或鎂合金塊體外表皮，堿洗，濾除氯化鈉，即得所述可降解開孔多孔鎂或鎂合金材料。
[0014]優(yōu)選的，步驟I中，所述氯化鈉晶體顆粒選自球形、立方形或不規(guī)則形，氯化鈉晶體顆粒尺寸為100?1000 μ m ;所述燒結(jié)溫度為650?790°C，燒結(jié)時(shí)間為0.5?24h ;所述開孔多孔氯化鈉預(yù)制塊體的直徑為3?200mm,高度為3?200mm。如果氯化鈉顆粒尺寸小于100 μ m時(shí)，在對不規(guī)則形氯化鈉顆粒進(jìn)行燒結(jié)后將不能保證得到完全開孔結(jié)構(gòu)的預(yù)制體，同時(shí)當(dāng)燒結(jié)溫度低于650°C或燒結(jié)時(shí)間少于0.5h時(shí)將不能保證氯化鈉顆粒之間產(chǎn)生有效的融合部分來保證開孔連通結(jié)構(gòu)。另外，當(dāng)溫度高于790°C或燒結(jié)時(shí)間超過24h時(shí)，將導(dǎo)致氯化鈉顆粒之間的過分融合，不利于液態(tài)金屬的滲流并且最終也會(huì)降低開孔多孔金屬結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度。
[0015]優(yōu)選的，所述開孔多孔鎂及鎂合金成分為鎂70?10wt.%，鋅O?30wt.%，釹O?5wt.%,乾O?Iwt.%,錯(cuò)O?Iwt.%, I丐O?Iwt.%,所述壓力滲流鑄造采用的滲流壓力為0.1?1MPa0
[0016]優(yōu)選的，步驟3中，所述堿洗具體為:在堿溶液中超聲清洗5?30min，用醇類溶液作為緩沖液，緩沖清洗時(shí)間為5?30min ;所述堿洗次數(shù)為2?10次。如不采用醇類作為緩沖液將導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)的孔壁在堿液中發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，破壞多孔結(jié)構(gòu)的完整性。堿洗次數(shù)少于2次或時(shí)間少于5min將不能保證NaCl完全濾除。
[0017]優(yōu)選的，所述堿溶液包括如下含量的組分:丙三醇，lmol/L氫氧化鈉溶液，比例為I: I。如氫氧化鈉濃度低于lmol/L將不能有效抑制Cl—對鎂基體的腐蝕，丙三醇的等量加入可提高NaCl在堿洗中的溶解度，充當(dāng)部分溶劑的作用，在緩解水溶液對孔壁的腐蝕同時(shí)提高對NaCl的濾除效率。
[0018]第三方面，本發(fā)明還涉及一種前述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料在制備骨組織工程支架中的用途。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0020](I)本發(fā)明制備工藝簡單，操作方便，無污染，按該方法制得的開孔多孔結(jié)構(gòu)孔隙貫通分布均勻，尺寸可控，且孔隙率高，無閉孔和造孔劑殘留現(xiàn)象。
[0021](2)本發(fā)明采用氯化鈉晶體顆粒作為開孔多孔鎂及鎂合金的造孔介質(zhì)，通過對其顆粒的高溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)顆粒之間部分融合，獲得三維貫通結(jié)構(gòu)的開孔多孔氯化鈉預(yù)制體，在采用加壓滲流的方式保證液態(tài)金屬完全填充開孔多孔氯化鈉預(yù)制體后，該預(yù)制體的結(jié)構(gòu)特征就直接成為了開孔多孔鎂及鎂合金的孔隙特征。
[0022](3)本發(fā)明可以通過選取不同形貌和尺寸的氯化鈉晶體顆粒以及采用不同的燒結(jié)溫度和時(shí)間來控制開孔多孔氯化鈉預(yù)制體的孔隙特征，最終獲得孔型及尺寸可控，孔與孔之間由連通孔相通，且孔壁上的連通孔的數(shù)量及大小可控，結(jié)構(gòu)整體孔隙均勻分布，孔隙率可調(diào)的開孔多孔鎂及鎂合金材料。
[0023](4)本發(fā)明采用丙三醇與氫氧化鈉溶液的混合液作為氯化鈉晶體顆粒的濾除堿液，以醇類溶液作為緩沖液，可以顯著減緩氯離子對鎂基體金屬的腐蝕，很好地保護(hù)開孔多孔鎂及鎂合金結(jié)構(gòu)的完整性。
[0024](5)本發(fā)明用于骨組織工程支架領(lǐng)域的開孔多孔材質(zhì)生物相容性優(yōu)良，多孔結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與骨組織相匹配，并且開孔結(jié)構(gòu)有利于缺損組織與周圍組織的營養(yǎng)交換，同時(shí)可以促進(jìn)血管的長入以及骨組織的生長。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0026]圖1(a)為可降解開孔多孔鎂及鎂合金骨組織工程支架的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖1(b)為實(shí)物圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以進(jìn)行若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0028]實(shí)施例1
[0029]本實(shí)施例涉及一種用于骨組織工程支架領(lǐng)域的可降解開孔多孔鎂合金，直徑為55mm,高度為50mm，孔型為球形，孔徑為500?600 μ m,單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為5?10個(gè)，連通孔孔徑為150μπι，孔隙率為90%。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，(a)圖為可降解開孔多孔鎂及鎂合金骨組織工程支架的三維結(jié)構(gòu)示意圖，該圖準(zhǔn)確地反映了本發(fā)明中所描述的孔隙特征，例如，球形的孔型以及連通孔的孔型及它們的分布特征；(b)圖為對應(yīng)的實(shí)物圖，從實(shí)物圖中可見球形的孔型以及分布在孔壁上的連通孔的孔型及它們的分布特征與示意圖(a)中的描述保持一致。
[0030]本實(shí)施例涉及前述的用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0031]步驟I，將尺寸為500?600 μ m球形氯化鈉晶體顆粒放入內(nèi)徑為55mm，高50mm的模具內(nèi)在720°C下恒溫?zé)Y(jié)8h，隨爐冷卻得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制體；
[0032]步驟2,將Mg_5wt.% Zn-0.5wt.% Ca合金熔液燒入放有開孔多孔氯化鈉預(yù)制體的模腔，在壓力為1.3MPa下進(jìn)行壓力滲流鑄造；
[0033]步驟3，利用車床將含有氯化鈉預(yù)制體的鎂合金塊體外表皮除去，放入超聲清洗機(jī)中堿洗，堿洗液包括如下含量的各組分:丙三醇250ml，lmol/L氫氧化鈉溶液250ml，每次清洗15min，以甲醇做緩沖液，緩沖清洗15min，連續(xù)換液堿洗5?7次即可得到用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金。其壓縮強(qiáng)度為7MPa。
[0034]實(shí)施例2
[0035]本實(shí)施例涉及一種用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂合金，直徑為100_，高度為100mm，孔型為立方形，孔徑為900?1000 μ m,單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為3?5個(gè)，連通孔孔徑為400 μ m，孔隙率為85%。
[0036]本實(shí)施例涉及前述的用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0037]步驟I，將尺寸為900?1000 μ m立方形氯化鈉晶體顆粒放入內(nèi)徑為100mm，高10mm的模具內(nèi)在790°C下恒溫?zé)Y(jié)24h，隨爐冷卻得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制體；
[0038]步驟2,將 Mg_3wt.% Nd-0.2wt.% Zn-0.5wt.% Zr-0.5wt.% Ca 合金溶液燒入放有開孔多孔氯化鈉預(yù)制體的模腔，在壓力為1MPa下進(jìn)行壓力滲流鑄造；
[0039]步驟3，利用車床將含有氯化鈉預(yù)制體的鎂合金塊體外表皮除去，放入超聲清洗機(jī)中堿洗，堿洗液包括如下含量的各組分:丙三醇800ml，lmol/L氫氧化鈉溶液800ml，每次清洗20min，以無水乙醇做緩沖液，緩沖清洗時(shí)間20min，連續(xù)換液堿洗6?8次即可得到用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金。其壓縮強(qiáng)度為13MPa。
[0040]實(shí)施例3
[0041]本實(shí)施例涉及一種用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂合金，直徑為200_，高度為200mm，孔型為球形，孔徑700?750 μ m,單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為6?10個(gè)，連通孔孔徑為250 μ m,孔隙率為75%。
[0042]本實(shí)施例涉及前述的用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0043]步驟1，將尺寸為700?750 μ m球形氯化鈉晶體顆粒放入內(nèi)徑為200_，高200_的模具內(nèi)在700°C下恒溫?zé)Y(jié)10h，隨爐冷卻得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制體；
[0044]步驟2,將Mg-lwt.% Y-0.5wt.% Ca合金熔液燒入放有開孔多孔氯化鈉預(yù)制體的模腔，在壓力為3MPa下進(jìn)行壓力滲流鑄造；
[0045]步驟3，利用車床將含有氯化鈉預(yù)制體的鎂合金塊體外表皮除去，放入超聲清洗機(jī)中堿洗，堿洗液包括如下含量的各組分:丙三醇1000ml，lmol/L氫氧化鈉溶液1000ml，每次清洗30min，以丙醇做緩沖液，緩沖清洗30min，連續(xù)換液堿洗7?10次即可得到用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金。其壓縮強(qiáng)度為20MPa。
[0046]實(shí)施例4
[0047]本實(shí)施例涉及一種用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂，直徑為3_，高度為3mm，孔型為不規(guī)則形，孔徑為100?200 μ m，單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為3?4個(gè)，連通孔為30 μ m,孔隙率為50 %。
[0048]本實(shí)施例涉及前述的用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂及鎂合金制備方法，所述方法包括如下步驟:
[0049]步驟I,將尺寸為100?200 μ m不規(guī)則形氯化鈉晶體顆粒放入內(nèi)徑為3mm,高3_的模具內(nèi)在650°C下恒溫?zé)Y(jié)0.5h，隨爐冷卻得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制體；
[0050]步驟2，將純鎂金屬熔液澆入放有開孔多孔氯化鈉預(yù)制體的模腔，在壓力為
0.1MPa下進(jìn)行壓力滲流鑄造；
[0051]步驟3，利用車床將含有氯化鈉預(yù)制體的鎂合金塊體外表皮除去，放入超聲清洗機(jī)中堿洗，堿洗液包括如下含量的各組分:丙三醇50ml，lmol/L氫氧化鈉溶液50ml，每次清洗5min,以乙醇和丙醇的混合液做緩沖液，緩沖清洗5min，連續(xù)換液堿洗2?3次即可得到用于骨組織工程支架的可降解開孔多孔鎂，其壓縮強(qiáng)度為35MPa。
[0052]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料，其特征在于，所述開孔多孔鎂及鎂合金生物材料為完全開孔結(jié)構(gòu)，孔型及尺寸可控，孔與孔之間由連通孔相通，且孔壁上的連通孔的數(shù)量及大小可控；所述開孔多孔鎂及鎂合金材料孔隙整體均勻分布，孔隙率可調(diào)。
2.如權(quán)利要求1所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料，其特征在于，所述開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的直徑為3?200mm，高度為3?200mm。
3.如權(quán)利要求1所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料，其特征在于，所述孔型為球形、立方形或不規(guī)則形，孔徑為100?1000 μ m,孔隙率為50?90%。
4.如權(quán)利要求1所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料，其特征在于，所述連通孔孔徑為30?400 μ m,單個(gè)孔腔內(nèi)壁所含連通孔數(shù)量為3?10個(gè)。
5.一種如權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1，將氯化鈉晶體顆粒進(jìn)行燒結(jié)，得到開孔多孔氯化鈉預(yù)制塊體； 步驟2，將鎂或鎂合金熔液澆注入放有氯化鈉預(yù)制體的模腔，進(jìn)行壓力滲流鑄造； 步驟3，除去含有氯化鈉預(yù)制體的鎂或鎂合金塊體外表皮，堿洗，濾除氯化鈉，即得所述可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料。
6.如權(quán)利要求5所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，其特征在于，步驟I中，所述氯化鈉晶體顆粒選自球形、立方形或不規(guī)則形，氯化鈉晶體顆粒尺寸為100?1000 μ m ;所述燒結(jié)溫度為650?790°C，燒結(jié)時(shí)間為0.5?24h ;所述開孔多孔氯化鈉預(yù)制塊體的直徑為3?200mm,高度為3?200mm。
7.如權(quán)利要求5所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，其特征在于，所述開孔多孔鎂及鎂合金成分為:鎂70?10wt.%，鋅O?30wt.%，釹O?5wt.%，宇乙O?Iwt.% ,錯(cuò)O?Iwt.%, I丐O?Iwt.% ;所述壓力滲流鑄造采用的滲流壓力為0.1?1MPa。
8.如權(quán)利要求5所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，其特征在于，步驟3中，所述堿洗具體為:在堿溶液中超聲清洗5?30min，用醇類溶液作為緩沖液，緩沖清洗時(shí)間為5?30min ;所述堿洗次數(shù)為2?10次。
9.如權(quán)利要求8所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料的制備方法，其特征在于，所述堿溶液包括如下含量的組分:丙三醇，lmol/L氫氧化鈉溶液，體積比為1:1。
10.一種如權(quán)利要求1?4中任一項(xiàng)所述的可降解開孔多孔鎂及鎂合金生物材料在制備骨組織工程支架中的用途。
【文檔編號】C22C1/08GK104232972SQ201410457751
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月10日
【發(fā)明者】袁廣銀, 賈高智, 丁文江 申請人:上海交通大學(xué)