CN101524559A

CN101524559A - 生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料

Info

Publication number: CN101524559A
Application number: CN200910103352A
Authority: CN
Inventors: 高家诚; 张敏; 陈飞宏
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-09-09

Abstract

本发明涉及一种生物可降解纳米羟基磷灰石－镁金属基复合材料，属于生物医用材料领域，所述材料由金属镁和纳米羟基磷灰石颗粒的混合物组成，其中金属镁为纯镁，羟基磷灰石和镁的质量比为0.01～50∶100。本发明的纳米羟基磷灰石－镁金属基复合材料可采用高洁净度的熔炼技术或粉末冶金技术制造。本发明材料基体与增强纳米颗粒之间的结合紧密，纳米颗粒分布均匀。本发明降解速度可控，生物相容性和力学性能良好，在骨组织工程支架、骨内固定紧固件及骨承重部位缺损修复等医用材料领域有广泛的应用前景。

Description

生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料

技术领域

本发明涉及一种生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，具体的说，是一种以纯镁为基体，纳米羟基磷灰石为增强体的生物复合材料，属于生物医用材料领域。

背景技术

生物金属材料在骨组织修复及替换领域具有不可替代的作用。它们与陶瓷及聚合物相比，具有高的机械强度和断裂韧性，更适合于骨受力部位的修复与替换。目前临床应用的金属基生物材料主要有不锈钢、钛合金及钴铬合金。这些已有的生物金属材料不足的地方是，在长期使用中会发生腐蚀或磨损，可能产生有毒的金属离子或颗粒，引发体内炎症，导致材料生物相容性降低，甚至植入失败；弹性模量与自然骨不匹配，容易造成应力遮挡效应，减弱新骨生长和重建所需的应力刺激，从而降低植入材料的稳定性；不可降解，当用作永久性紧固件，如骨折用骨板、骨螺钉和骨针时，必须在骨组织修复后二次手术取出。重复的手术既增加了医保***的成本，也增加了病人的痛苦。

镁合金材料是一种理想的轻金属，密度只有1.74g/cm³。镁的断裂韧性比生物陶瓷，如羟基磷灰石高，而弹性模量与压缩强度，与上述生物金属材料相比，更接近自然骨。镁离子对人体新陈代谢有重要作用。一个体重70kg的正常成年人，体内约有1mol镁离子，其中约一半储存在骨组织中。随着材料制备工艺和腐蚀防护技术的发展，人们越来越认识到镁在工程应用中的不足——低耐蚀性，特别是在电解质溶液中——可以成为它在生物材料领域的闪光点，因为镁材料在人体内降解后，形成的氧化物无毒可溶，可随尿液排除，对身体没有损害。同时，镁对人体机能的作用以及在骨内的存在，使人们相信镁可能刺激新骨生长。因此，镁有望成为一种轻质、可降解、可受载荷的整形修复植入材料。但目前研究表明，可用的镁合金在人体环境(pH约7.4-7.6，高氯)中腐蚀过快，容易在局部产生过量的氢气及高的pH值，从而影响材料的生物相容性及力学性能。由此可见，控制镁合金的降解速度是改善镁合金性能的首要目标，其方法主要有合金化和表面改性。

羟基磷灰石与人和动物的骨组织的无机成分一致，具有良好的生物相容性和生物活性，是可降解生物聚合物基复合材料的首选增强体。羟基磷灰石的加入不仅有效地提高了基体的强度和生物活性，而且由于羟基磷灰石在人体环境中可溶性低，也降低了复合材料整体的降解速率。

据公开报道，纯镁和羟基磷灰石的复合目前仅局限于羟基磷灰石表面改性纯镁，主要目的是增加纯镁的生物活性或改善其降解速率。中国专利(公开号：CN 101249280A)发明了一种在纯镁表面制备磷灰石涂层的方法。其方案是，对纯镁采用酸碱两步进行表面活化处理，然后进入氯化钙和磷酸氢二钾溶液中进行预钙化处理，再将镁片置于钙磷饱和溶液中一定时间，使其表面形成磷灰石涂层。中国专利(公开号：CN 101254314A)发明了一种羟基磷灰石涂层镁合金医用内植入材料及其制备方法。其材料特征在于镁合金基材表面附有羟基磷灰石涂层，其制备方法可采用仿生溶液生长法、离子束沉积法、涂覆烧结法等。中国专利(公开号：CN 101302638A)提供了一种羟基磷灰石涂层/镁合金的制备方法。该方法以镁合金为阴极，石墨为阳极，放入钙磷电解液中进行阶跃电沉积，在镁表面生成纳米针状羟基磷灰石涂层。目前对镁及镁合金作为人体植入材料的研究尚处于起步状态，已有的研究主要集中在生物相容性和耐蚀性方面。而在临床应用中，作为可降解承重材料的镁合金还应具有可调控的降解速率与适宜的强度、韧性、弹性模量、耐磨性等机械性能，此外良好的成型加工性能也是保证其广泛应用的重要方面。单纯依靠合金化和表面改性方式很难达到这一要求。而以生物复合材料的形式，通过基体类别、增强体尺寸、含量及分布来获得适宜的力学性能和降解速率，将有望克服单纯镁合金作为骨科材料所面临的问题。

有关羟基磷灰石增强金属镁复合材料的研究较少。近期，德国学者(Biodegradable magnesium-hydroxyapaptite metal matrix composites，Biomaterials，2007(28)；中国专利，公开号CN 101330933A)以粉末冶金法制备了羟基磷灰石增强AZ91镁合金复合材料。结果显示，该材料具有良好的生物相容性；在人造海水和细胞培养液中，羟基磷灰石的加入都能够在复合材料表面形成保护层，从而提高镁合金基体的抗腐蚀能力。但德国学者采用的AZ91中的铝元素具有神经毒性，是导致神经错乱和老年痴呆症的因素；增强体羟基磷灰石为微米级，生物活性不及纳米级的羟基磷灰石。国内学者陈民芳等(中国专利，公开号CN101185777A)发明了一种可降解纳米羟基磷灰石/镁合金血管内支架材料。基材镁合金的合金化元素是锌和锆。羟基磷灰石的添加量为0.1％～5％，直径10～15nm，长100～200nm。这种材料主要用于血管管腔狭窄的治疗，而不是硬组织修复与替换，材料应用环境不同，对材料性能的要求也是不同的，例如硬组织对材料抗压强度有要求、材料对骨细胞和成骨细胞的特定影响等。以纳米羟基磷灰石作为增强体，纯镁作为基体制备的生物复合材料具有良好的生物相容性和力学性能基础，至今尚未发现用于骨组织修复与替换的纳米羟基磷灰石-纯镁生物复合材料的相关报道。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可生物降解的，纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，主要用作骨组织修复与替换的生物医用材料。

本发明的目的是这样实现的：一种生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，所述复合材料由作为基材的金属镁和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，其中金属镁为纯镁，镁的纯度＞99wt％，所述羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的，羟基磷灰石和镁的质量比为0.01～50∶100。

所述羟基磷灰石为针状，长为100～20000nm，长径比为10～65。

所述羟基磷灰石为球状，直径20～80nm。

所述羟基磷灰石和镁优化的质量比为2～20∶100，更优化的质量比为7～15∶100。

本发明的有益效果是：

1)本发明的基材采用纯镁，纯度大于99％，避免了常用镁合金中有毒合金化元素对材料生物相容性的影响；

2)本发明的增强体采用纳米级羟基磷灰石，有效提高了材料的生物活性；

3)本发明通过调整羟基磷灰石的加入量和形貌来控制复合材料的降解速率及获得适宜的力学性能；

4)通过工艺制备出的复合材料，基体与增强纳米颗粒之间的结合紧密，纳米颗粒分布均匀；

5)由于工艺温度低，基体金属镁不与纳米羟基磷灰石颗粒发生有害的界面反应。

本发明所涉及的生物可降解羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其实现方法简单，特别适合于骨组织修复与替换。由这种羟基磷灰石增强制备的镁基复合材料可更好地满足骨组织工程支架、骨内固定紧固件等医疗应用领域对材料综合力学性能和生物学性能的要求。

附图说明

图1-粉末冶金法制备的纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料(羟基磷灰石和镁的质量比为18∶100)的金相照片。

具体实施方式

以下结合实施例详细介绍本发明。

本发明的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料由作为基材的金属镁和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，其中金属镁为纯镁，镁的纯度＞99wt％，所述羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的，羟基磷灰石和镁的质量比为0.01～50∶100。

所述羟基磷灰石可以为针状，优化的尺寸长为100～20000nm，长径比为10～65。羟基磷灰石长径比越大，对复合材料力学增强效果越明显。

所述羟基磷灰石也可以为球状，直径20～80nm，该尺度范围下复合材料具有良好的生物活性。

本发明的羟基磷灰石-镁金属基复合材料可以通过如下两种方法制备：第一种，铸造法。原材料镁为块体，纯度大于99％，羟基磷灰石为粉体，纳米级别。镁熔炼过程采用真空或气氛(CO₂+SF₆、Ar)保护，采用石墨坩埚熔炼，熔炼温度在纯镁熔点以上。羟基磷灰石粉体可在镁熔炼前加入，也可在熔炼静置后加入，浇注前需要搅拌均匀。在钢模或铜模中浇注后得到所需铸锭。铸锭再经过热处理和形变加工后制成所需的型材。第二种，粉末冶金法。原材料镁为粉体，纯度大于99％，羟基磷灰石为粉体，纳米级别。两种粉末球磨混合后在模具中冷压成型，在753K～823K温度范围内烧结3～10小时，再在753K～803K温度范围内热压，然后挤压或轧制成所需的型材。

本发明的羟基磷灰石-镁金属基复合材料中羟基磷灰石中钙离子可部分的被镁、钾、钠或锌等离子替换；羟基磷灰石中磷酸根离子可部分被碳酸根、磷酸氢根等离子替换；羟基磷灰石中氢氧根离子可部分被碳酸根、氟离子和氯离子等离子替换。

实施例1

首先，纯度99.99％的镁块打磨清洗，称重114.5222g，纳米羟基磷灰石粉，针状，长约200nm，长径比约为12，称重2.5057g。钢模清洁干燥待用。然后将羟基磷灰石粉末放置于石墨坩埚底部，镁块放置于石墨坩埚上部，钢模具放入热镁砂中预热。当感应炉内温度达到约800℃时，放入装有原料的石墨坩埚，氩气保护，电磁搅拌约5-10分钟，850℃时钢模浇铸，水冷，得到复合材料铸锭。铸锭经过热处理和形变加工后制成棒材或管材。

实施例2

将纯度99.9％的纯镁切割打磨清洗，称重约64.8247g。纳米羟基磷灰石，针状，长约500nm，长径比约为10，重约2.5068g。铜模打磨清洁。熔炼过程中，首先将石墨坩埚和铜模烘烤除去水汽。然后将镁块加入坩埚内，置于感应炉内熔炼，熔炼温度750℃，氩气保护，电磁搅拌。镁熔化后，停止加热，加入纳米羟基磷灰石粉末，机械搅拌混合均匀后倒入铜模中，水冷，得到复合材料铸锭。铸锭经过热处理和形变加工后制成棒材或管材。

实施例3

将纯度99.9％的纯镁切割打磨清洗，称重约30.4092g。纳米羟基磷灰石，针状，长约2000nm，长径比约为20，重约1.5083g。铜模打磨清洁。镁块和羟基磷灰石粉末放入石墨坩埚中，置于真空熔炼炉内，熔炼温度750℃，磁力搅拌约20分钟，真空度为5.0×10^-2Pa。铜模浇注，水冷，得到复合材料铸锭。铸锭经过热处理和形变加工后制成棒材或管材。

实施例4

纯度99.5％的镁粉约10.0157g，纳米羟基磷灰石粉末，球状，直径约为50nm，约1.527g进行球磨混粉。球磨工艺：氩气保护，双向球磨，每单向12分钟，共24分钟，转速361转/分钟。球磨后得到的混合粉末重约9.5220g(球磨过程中会造成少量粉体损失)，放入模具中冷压成型，压力为30kN。然后模具连带压制块放入箱式炉中加热。加热工艺：加热温度480℃，保温时间2小时。加热后的模具放在万能试验机上热挤压，挤压力为104kN。挤压出的材料致密，具有良好的力学性能。

实施例5

纯度99.5％的镁粉约25.0090g，纳米羟基磷灰石粉末，含碳酸根，针状，长约20μm，长径比约为65，约5.0127g进行球磨混粉。球磨工艺：氩气保护，双向球磨，0.2小时交换一次球磨方向，间歇6分钟，球磨30分钟，转速1457转/分钟。球磨后得到的混合粉末重约27.3445g，放入模具中冷压成型，压力为40kN。然后模具连带压制块放入箱式炉中加热。加热工艺：加热温度480℃，保温时间2小时。加热后的模具放在万能试验机上热压，挤压力为90kN。再将模具带压制块放入炉内均匀加热至480℃，放在万能试验机上热挤压，挤压力为75kN。挤压出的材料致密，具有良好的力学性能和生物学性能。

图1为粉末冶金法制备的纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料(羟基磷灰石和镁的质量比为18∶100)的金相照片。

Claims

1、一种生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料由作为基材的金属镁和作为增强体的羟基磷灰石混合组成，其中金属镁为纯镁，所述羟基磷灰石至少在一个方向是纳米尺度的，羟基磷灰石和镁的质量比为0.01～50∶100。

2、根据权利要求1所述的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石为针状，长为100～20000nm，长径比为10～65。

3、根据权利要求1所述的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石为球状，直径20～80nm。

4、根据权利要求1或2或3所述的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于：所述镁的纯度＞99wt％。

5、根据权利要求4所述的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石和镁的质量比为2～20∶100。

6、根据权利要求5所述的生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料，其特征在于：所述羟基磷灰石和镁的质量比为7～15∶100。