CN103357063A - 一种可引导骨生长的金属复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种可引导骨生长的金属复合材料及其应用,该材料特别适用于人体硬组织缺陷的生物医学工程,包括人工关节、人工骨、牙科植入体、整形美容医疗器械、骨髓腔植入体等,具体表现为一种可引导骨生长的双相复合材料:在已临床应用的医用金属材料(钛及钛合金、不锈钢、钴基合金、镍钛形状记忆合金等)上制备出多孔结构,将可引导骨生长的镁或镁合金填充入多孔结构中,该结构复合材料可作为实体材料进行应用,也可作为实体金属材料的表面或部分结构。该材料设计可提高现有医用金属植入器械的生物活性,随着镁或镁合金在人体环境中的不断降解和骨诱导作用,逐步引导骨组织长入多孔结构内,从而可增加骨组织与植入体之间的结合强度,防止植入体松动,实现良好的生物固定,使骨整合效果大大增加。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域,特别涉及一种可引导骨生长的金属复合材料及其应用。
背景技术
目前临床常用的医用金属材料包括:纯钛、钛合金、不锈钢、钴基合金、镍钛形状记忆合金。医用金属材料以其高强韧性、耐疲劳、易加工成形和临床使用中的高可靠性等优良性能,一直是临床上用量大而广泛的一类生物医用材料,大量应用于需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织医疗领域中。目前临床应用的医用金属材料以其相对稳定的化学性质,满足一定的生物相容性要求,在体内承受特定的载荷并永久或半永久性地留存。这些金属材料一般在生物体环境中表现为生物惰性,与周围骨组织界面结合差,植入体在体内受力后往往容易产生松动,影响了治疗效果。
由于医用金属材料的弹性模量高于骨组织,在体内产生应力遮挡,容易发生骨质疏松和二次骨折。采用多孔结构可以调节金属材料的弹性模量,从而与骨组织相匹配。另外,多孔结构有利于周围新生骨的长入,可以增加植入体与骨组织的结合强度。然而这种多孔结构在植入体内后不能与骨组织产生紧密接触,而是优先被一些软组织填充,直接导致了骨生成量少,需时长,骨渗入深度有限,无法使骨组织长入较深的材料内部。此外,多孔结构降低了金属材料的力学性能,使得多孔金属无法承受大的载荷,应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是旨在解决目前医用金属植入器械生物活性低的问题,结合镁及镁合金良好的生物活性、较好的骨诱导性能以及可吸收降解的优势,提供一种可引导骨生长的金属复合材料及其应用。
本发明提供了一种可引导骨生长的金属复合材料,该材料以多孔结构的金属医用材料为基体,在多孔结构中填充具有生物活性的镁及镁合金;这种复合结构和成分上的设计可以有效引导新生骨组织的生长,特别是使骨组织长入到植入体更深的内部中,促进骨组织与植入体的结合,并保证了植入体的力学性能。
本发明提供的可引导骨生长的金属复合材料,所述金属医用材料为纯钛、钛合金、不锈钢、钴基合金、镍钛形状记忆合金中的一种或多种。
本发明提供的可引导骨生长的金属复合材料,所述镁及镁合金的材料为纯镁系、镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金、镁银系列合金中的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
本发明提供的可引导骨生长的金属复合材料,所述将镁及镁合金填充到多孔结构中的填充方法为熔体浸渗法或浇铸法。
本发明提供的可引导骨生长的金属复合材料,所述多孔结构的孔隙率为10~80%,孔径尺寸为100μ~900μm,开孔率>60%。
本发明提供的可引导骨生长的金属复合材料,所述多孔结构的制备方法包括快速成形法、粉末冶金法、等离子喷涂法、激光打孔法、电化学微加工法、凝胶注模成型法、自蔓延高温合成法、纤维烧结法、发泡法、酸蚀方法、喷丸处理、喷砂处理。
本发明还提供了所述可引导骨生长的金属复合材料的应用,该材料用于制备硬组织植入体(包括人工关节、人工骨、牙科植入体、整形美容医疗器械、骨髓腔植入体),特别适用于人体硬组织缺陷填充的生物医学工程,可作为实体器件使用,也可作为器件的表面及其中的组成部分。
镁及镁合金由于具有良好的生物相容性和生物可降解吸收性,近年来作为可降解医用材料被广泛关注和研究。研究表明,镁元素是人体新陈代谢不可或缺的重要元素,成人每天的镁需求量为400mg左右,因此镁作为生物医用材料具有非常良好的安全性基础。与现有医用金属材料相比,镁合金具有更优异的生物活性。镁合金植入体内后,表面有磷酸盐生成,在磷酸盐与骨组织间有新骨生成,磷酸盐层不断向新骨组织转变,新骨组织就在镁合金植入体上生长。另外,镁及镁合金的一大优势是其可降解吸收性,镁合金植入体在服役期间逐渐被人体降解吸收。因此,镁合金填充入多孔金属结构形成的复合材料植入体,一方面保证了多孔医用金属材料的力学性能;另一方面,随着镁及镁合金的降解与骨诱导作用,逐步引导新生骨组织长入多孔结构内部,增强了新生骨组织和植入体之间的结合强度,成骨量增加,实现良好的生物固定。
本发明的优点在于:
1.生物活性高。本发明引入生物活性高的镁合金,通过镁合金对骨生长的良好引导作用,可使新生骨组织长入多孔结构内部,增加了骨组织与植入体之间的结合强度,成骨量增加,实现良好的生物固定。
2.力学性能良好。本发明在多孔结构中填充入金属镁及其合金材料,由多孔结构变为实体的金属复合材料,力学性能较多孔结构有了明显提高。
3.适用范围广。本发明的复合材料主要用于设计硬组织植入体,应用于医疗领域的多个方面,包括人工关节、人工骨、牙科植入体、整形美容医疗器械、骨髓腔植入体等。
附图说明
图1是电子束熔化快速成形技术制备出的多孔钛合金支架;
图2是上述复合材料中多孔钛合金与纯镁的界面结合微观图片;
图3是多孔钛合金、纯镁以及多孔钛/镁复合材料的压缩应力应变曲线对比图;
图4是多孔钛合金支架动物实验植入材料宏观形貌图,其中(a)、(b)、(c)依次为未处理多孔钛合金支架、多孔钛/镁复合材料、微弧氧化处理后多孔钛/镁复合材料。
具体实施方式
以下实施例将对本发明予以进一步的说明,但并不因此而限制本发明。
实施例1:
采用电子束熔化快速成形技术制备尺寸为的圆柱状多孔钛合金(Ti6Al4V)支架,其形貌如图1所示。上述支架平均孔径为600μm,孔隙率约为60%。该支架具有类蜂窝状结构,孔与孔之间相互连通且贯通于支架的外表面,具有三维连通性。然后,采用浸渗方法将纯镁(纯度:99.99%)填充入上述多孔钛合金支架的孔内,形成双相复合材料。图2即为所形成的双相复合材料的界面微观形貌,可以看出纯镁与多孔钛合金支架界面没有空隙等缺陷,纯镁完全填充到了多孔钛合金支架的三维孔隙中并形成了良好的冶金结合,保证了该复合材料的力学性能。
将该复合材料切割成的压缩试样进行压缩实验,图3即为上述复合材料(pTi/Mg)、纯镁以及多孔钛合金基体(pTi)的压缩应力应变曲线对比图,从图中可以看出镁的填充大大提升了多孔钛合金支架的抗压强度,该复合材料的抗压强度为275±10MPa,满足了硬组织植入体对力学性能的要求。
图4即为上述多孔钛合金支架动物实验所需植入材料宏观形貌图,从左至右依次为未处理多孔钛合金支架、多孔钛/镁复合材料、微弧氧化处理后多孔钛/镁复合材料。动物植入实验4周后的硬组织切片染色结果表明,多孔钛合金对照组植入体的内部孔洞被纤维组织占据,且植入体周围表面也包覆一层纤维组织,几乎没有新生骨组织长入。相比之下,上述多孔钛/镁复合材料以及微弧氧化处理过的复合材料植入体周围的纤维组织较少,填充入孔洞内的纯镁发生降解,附近可见新生骨组织,表现出良好的生物活性。
实施例2:
采用浆料发泡法获得孔隙率分别为58%和70%的多孔317L不锈钢样品,上述多孔不锈钢呈三维网状结构,贯通性强,孔隙分布较为均匀,孔径为40-250μm,抗压强度分别为189MPa和59MPa。通过熔体浸渗的方法将Mg-0.5Ca合金填充入上述两种孔隙率的多孔不锈钢样品中形成两种孔结构的双相复合材料。这两种复合材料的抗压强度分别多孔不锈钢的189MPa和59MPa分别增加到380MPa和283MPa,可见Mg-Ca合金的填充有利于多孔材料力学性能的提升。上述复合材料在模拟体液中培养5天后,表面发现有磷酸钙盐物质的沉积,表现出良好的生物活性。此外,为了提高上述复合材料的耐腐蚀性能,对该复合材料进行了微弧氧化处理(不锈钢一般不用微弧氧化处理表面,可改成表面钝化处理),微弧氧化处理过的复合材料表现出优异的耐体液腐蚀性能,MTT法检测出上述复合材料的细胞毒性为0级,满足植入材料的使用要求。
实施例3:
采用激光打孔技术制备尺寸为:5×5×5mm3、孔隙率为75%、孔径为400-600μm的钴基合金(Co62Cr28Mo6),然后采用浸渗方法将Mg-6Zn合金填充入上述多孔钴基合金的孔内,形成复合材料。该复合材料的压缩强度为232±5MPa,大于人体自然骨强度,亦能满足对植入体的力学性能要求。
实施例4:
采用金属粉末烧结法制备出孔隙率为30%、孔径为200-300μm的镍钛形状记忆合金(Ni50Ti50)骨架。然后在真空和高压惰性气体的共同作用下使熔融Mg-Sr合金浸渗入该多孔骨架中,从而制备出双相金属复合材料。扫描电镜观察表明Mg-Sr合金均匀分布并填充在多孔镍钛合金的孔隙中,充分浸渗。多孔镍钛合金骨架压缩实验结果表明,在应变值为18%时达到最高压缩强度,为80MPa。而经过浸渗填充的双相金属复合材料的压缩强度达到了295±10MPa,可见Mg-Sr合金的填充有效地提高了该多孔骨架的力学性能。
实施例5:
采用浇铸方法将纯镁填充入中空多孔钛金属中形成双相金属复合材料。然后将该复合材料植入动物股骨,2个月后取样进行组织学观察发现,填充进孔内的纯镁已经发生部分降解,复合材料孔洞内有新骨组织的长入。与空白对比样相比,复合材料表面的骨生成量明显增加,显示出纯镁的降解与新骨组织生长同时进行。
Claims (8)
1.一种可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:该材料以多孔结构的金属医用材料为基体,在多孔结构中填充具有生物活性的镁及镁合金。
2.按照权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:所述金属医用材料为纯钛、钛合金、不锈钢、钴基合金、镍钛形状记忆合金中的一种或多种。
3.按照权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:所述镁及镁合金的材料为纯镁系、镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金、镁银系列合金中的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
4.按照权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:所述将镁及镁合金填充到多孔结构中的填充方法为熔体浸渗法或浇铸法。
5.按照权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:所述多孔结构的孔隙率为10~80%,孔径尺寸为100μ~900μm,开孔率>60%。
6.按照权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料,其特征在于:所述多孔结构的制备方法包括快速成形法、粉末冶金法、等离子喷涂法、激光打孔法、电化学微加工法、凝胶注模成型法、自蔓延高温合成法、纤维烧结法、发泡法、酸蚀方法、喷丸处理、喷砂处理。
7.权利要求1所述可引导骨生长的金属复合材料的应用,其特征在于:该材料用于制备硬组织植入体,特别适用于人体硬组织缺陷填充的生物医学工程,可作为实体器件使用,也可作为器件的表面及其中的组成部分。
8.按照权利要求7所述可引导骨生长的金属复合材料的应用,其特征在于:硬组织植入体包括人工关节、人工骨、牙科植入体、整形美容医疗器械、骨髓腔植入体。
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