CN103721297A - 能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料及其制备方法，该材料由医用可吸收高分子聚合物、负载有BaTiO₃压电陶瓷并能传导压电信号的可降解纯镁或镁合金充当的导电载体材料、用于改善电极化效果的石墨烯复合而成，使用过程中外载荷作用下压电陶瓷产生电信号能被导电载体材料有效传导给骨科器械周围的机体组织可刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，促进骨组织愈合，其中，BaTiO₃压电陶瓷通过电泳-微弧氧化法结合溶胶封孔涂覆成膜法形成的双重负载技术被负载在导电载体材料上，同时导电载体材料和石墨烯还能提高压电陶瓷极化效果和应力敏感性，经过热模压、挤压或拉拔等方法首先制成棒材或板材，再经电极化处理和机械加工成骨科器械。

Description

能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及具有特殊功能的可吸收骨科器械及其制备方法，使用过程中能形成促进骨折愈合、骨组织生长的压电信号，属于骨科器械技术领域，具体为一种促进骨组织生长的可吸收骨科器械及其制备方法。 

背景技术

近些年来，用可降解高分子材料如聚乳酸、聚乙醇酸等加工制备的可吸收骨钉、骨板等骨科内固定器械因可降解、应力遮挡效应小等优点受到越来越多的关注。但用为骨科器械，它们也存在X光吸收能力弱、显影效果差等问题，同时，也不能产生可以刺激骨组织生长的电信号。 

如人们所知，骨折的愈合是一个长期的过程，合适的电信号可以刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，促进正常的骨组织生长，缩短愈合时间。压电材料作为重要的功能材料受到载荷作用时会产生电信号，因此，将压电材料植入人体，可以利用生物体自身运动对植入体产生压电效应形成电刺激，促进骨折愈合。已有研究表明生物压电陶瓷不仅具有压电效应，而且具有良好的生物相容性（王鹏，等，华西口腔医学杂志，2008，26（2）：133-136；R.Baxter,et al.J Mater Sci:Mater Med(2009)20:1697-1708），但是生物压电陶瓷塑性差，难以直接制成骨科固定器械。 

将压电陶瓷与聚合物复合可以克服压电陶瓷塑性差的问题，得到具有压电特性的复合材料（刘晓芳，PZT/聚合物基压电复合材料结构与性能研究[D]，武汉：武汉理工大学，2005），因此，若采用合适的方法将压电陶瓷引入目前临床使用的可吸收聚合物骨钉、骨板等中，利用生物体自身运动对植入体产生压电效应形成电刺激，促进骨折愈合，可以实现可吸收骨科器械的多功能化。 

目前临床使用的可吸收高分子骨科器械不具有促进骨组织生长以及显影功能，愈合周期长，且在体内植入过程中无法对其降解吸收行为进行X光定期诊 断和监控。将BaTiO₃压电陶瓷引入该类骨科器械中，利用生物体自身运动对植入体产生压电效应形成电刺激，促进骨折愈合，可以实现可吸收骨科器械的多功能化。 

但由于聚合物介电性能和导电性能差、弹性模量低，使得BaTiO₃压电陶瓷极化效果和压电效果差，产生的微弱电信号也不易被传导给机体组织；同时，BaTiO₃压电陶瓷与聚合物浸润性差，界面结合不理想，其加入会恶化该类骨科器械本身就不理想的力学性能。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料及其制备方法，所要解决的关键技术问题是如何在该类可吸收聚合物骨科器械中实现BaTiO₃压电陶瓷的负载、极化以及信号传导，同时又不降低其力学性能，具体涉及到可降解导电载体材料的选择及BaTiO₃压电陶瓷的负载技术、压电陶瓷极化效果的改善、应力敏感性的提高以及微弱压电信号的有效传导、导电载体材料与BaTiO₃压电陶瓷界面结合强度的提高等技术问题。 

技术方案：为实现上述目的一种能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料，通过下述技术方案实现：所述骨科器械材料是由医用可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中用于改善电极化效果的石墨烯、表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜并能传导压电信号的导电载体材料组成，并经热压力成型和电极化处理制备而成，其中，所述导电载体材料为纯镁或镁合金丝材或板材，其体积分数为10%～75%，采用电泳-微弧氧化法结合溶胶封孔涂覆成膜法复合形成的双重负载方法，将BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜负载在导电载体材料上，BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜层厚为1～200μm，石墨烯的体积百分比为0.01%～5%。 

所述的医用可吸收高分子聚合物为可吸收的聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇、聚酰胺的一种或者其中两种或两种以上它们的共聚物或共混物。 

所述医用可吸收高分子聚合物中还可以加入少量的石墨、碳纳米管或纳米导电炭黑提高极化效果。 

本发明的一种如权利要求1所述的能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料的制备方法如下： 

1）导电载体材料的加工：将导电载体材料纯镁或镁合金通过拉拔、轧制或 挤压方法制成丝材或板材； 

2）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的电泳-微弧氧化法初次负载：将预先配制好的BaTiO₃胶体溶液加入到微弧氧化碱性电解液中，用电泳-微弧氧化处理方法在导电载体材料纯镁或镁合金丝材或板材表面制备出含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，电泳-微弧氧化电压为100～600V，处理时间为2～60min； 

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：在步骤2）的基础上，将导电载体材料再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中0.5～10h，进行BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载，之后取出干燥； 

4）骨科器械的成型加工与电极化处理：将经有机溶剂溶解或高温熔融而形成的聚合物浆料与石墨烯混合均匀形成混合浆料，再经过浸渍或涂覆工艺与负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料排列在模具型腔内，再注入前述混合浆料，然后，通过热模压、挤压、注塑或拉拔的成型方法加工制备成棒材或板材，再在高压直流油浴装置中对所制备的棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构的骨科器械。 

所述的医用可吸收高分子聚合物为可吸收的聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇、聚酰胺的一种或者其中两种或两种以上它们的共聚物或共混物。 

所述医用可吸收高分子聚合物中还可以加入少量石墨、碳纳米管或纳米导电炭黑提高极化效果。 

有益效果：本发明的有益效果如下： 

1）具有压电效应，促进骨折愈合。本发明采用电泳-微弧氧化法结合溶胶封孔涂覆成膜法复合形成的双重负载技术，将BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜负载在导电载体材料上，两种负载方法之间是有关联的，不是简单的组合，首先由电泳-微弧氧化法在导电载体材料表面形成结合牢固的多孔陶瓷膜，在此基础上，采用溶胶封孔涂覆成膜法进行二次BaTiO₃压电陶瓷的负载，所形成的BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜与导电载体材料结合牢固，而且薄膜厚度易于控制。载荷作用下，BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜产生的压电信号能被丝材或板材状的导电载体材料有效传导给骨科器械周围的机体组织，可以刺激损伤部位的早期硬组织生长，促进正常的组织生长，提高治愈效果。 

2）压电陶瓷极化效果和应力敏感性好。与生物可吸收高分子聚合物相比， 导电载体材料--镁及其合金具有更高的弹性模量和更好的导电性能，将作为导电载体材料的纯镁或镁合金的丝材或板材以定向或者非定向的形式排列到生物可降解高分子聚合物中，不仅可以提高压电陶瓷极化效果，还能提高骨科器械的应力敏感性，将骨科固定器械受到的外力迅速传递给压电陶瓷。同时，与其它碳材料相比，石墨烯具有更好的介电和导电性能，少量的石墨烯加入即可显著改善聚合物中压电陶瓷颗粒的电极化效果和微弱压电信号的传导。 

3）微弱压电信号能被有效传导给机体组织。导电载体材料--镁及其合金丝材和板材具有良好的导电性能，并且连续的镁合金丝材和板材能形成从骨科器械内部到外表面的电信号连续传导通道，可将器械内部压电陶瓷产生的微弱压电信号传递给周围的机体组织，刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，提高治愈效果。 

4）具有显影功能。BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜能提高可吸收高分子聚合物骨科器械的X射线吸收效果，从而可以通过X射线观察植入物的植入和降解情况，便于临床上诊断以提高治愈效果。 

5）良好的生物相容性、可吸收性能和力学性能。该骨科器械所用材料由具有良好生物相容性和可降解性能的材料复合组成，在骨折愈合后能及时被降解、吸收，而所用的压电陶瓷和石墨烯无毒，可以沉积在新生骨组织中或经人体内循环***排出体外，表现出良好的生物相容性。同时，石墨烯、镁合金丝材或板材还能对可吸收高分子聚合物骨科器械形成一定的补强增韧作用。 

具体实施方式

本发明是一种能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料及其制备方法，所述骨科器械材料是由医用可吸收高分子聚合物、弥散分布在聚合物中用于改善电极化效果的石墨烯、表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜并能传导压电信号的可降解纯镁或镁合金充当的导电载体材料组成，再经热压力成型和电极化处理而成，使用过程中外载荷作用下压电陶瓷产生电信号能被导电载体材料有效传导给骨科器械周围的机体组织，可刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，促进骨组织愈合，其中，BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜通过电泳-微弧氧化法结合溶胶封孔涂覆成膜法形成的双重负载技术被负载在导电载体材料上，所述纯镁或镁合金丝材或板材导电载体材料的体积分数为10%～75%，BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜层厚为1～200μm，石墨烯的体积百分比为0.01%～5%，该骨科器械材料的具体制备步骤 如下： 

1）导电载体材料的加工：将导电载体材料纯镁或镁合金通过拉拔、轧制或挤压方法制成丝材或板材。镁及镁合金是一种医用可降解金属，与生物可吸收高分子聚合物相比，镁及其合金具有更高的弹性模量和更好的导电性能，将作为导电载体材料的纯镁或镁合金丝材或板材以定向或者非定向的形式排列到生物可降解高分子聚合物中，不仅可以提高压电陶瓷极化效果，还能提高骨科器械的应力敏感性，将骨科固定器械受到的外力迅速传递给压电陶瓷，同时，连续的镁合金丝材和板材导电载体能形成从骨科器械内部到外表面的电信号连续传导通道，可将器械内部压电陶瓷产生的微弱压电信号传递给周围的机体组织，刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，提高治愈效果。因此，选用镁及其合金丝材或板材作为本发明的可降解载体材料和导电材料，能改善压电陶瓷极化效果，提高应力敏感性，对微弱压电信号进行有效传导，并对可吸收高分子聚合物骨科器械形成一定的补强增韧作用。 

2）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的电泳-微弧氧化法初次负载：将预先配制好的BaTiO₃胶体溶液加入到微弧氧化碱性电解液中，用电泳-微弧氧化处理技术在导电载体材料纯镁或镁合金丝材或板材表面制备出含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，电泳-微弧氧化电压为100～600V，氧化时间为2～60min。在镁合金导电载体材料表面微弧氧化处理可生成多孔氧化物陶瓷层，氧化陶瓷层中的微孔可形成通道作用，在微弧氧化过程中可使BaTiO₃胶体带电粒子通过电泳运动进入内部，且能提供高的比表面积，有利于后续溶胶封孔涂覆过程中提高负载能力。根据胶体理论，带电胶体颗粒在电场作用下会发生电泳定向运动，基于该原理，在碱性电解液中加入BaTiO₃胶体，胶体颗粒会吸附负离子从而带负电荷，之后在微弧氧化的电场作用下，BaTiO₃胶体颗粒向阳极电泳运动，在纯镁或镁合金载体材料表面生成含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，该含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜是在导电载体材料表面原位氧化生成，因此，其与导电载体材料之间的界面结合强度高，不易剥落。 

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：在步骤2）的基础上，将表面用电泳-微弧氧化法制备出多孔功能薄膜的导电载体材料再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中0.5～10h，进行BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载，之后取出干燥。由于导电载体材料表面经前述电泳-微弧氧化处 理后形成功能薄膜具有多孔结构，BaTiO₃溶胶很容易进入其表面孔洞中，一方面可以对其形成溶胶封孔效应，另一方面，还可以进一步增加BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的厚度和负载量，且微孔强化效应使得界面结合强度更高。 

4）骨科器械的成型加工与电极化处理：将经有机溶剂溶解或高温熔融而形成的聚合物浆料与石墨烯混合均匀后，再经过浸渍或涂覆工艺与负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料排列在模具型腔内，再注入混合浆料，然后，通过热模压、挤压、注塑或拉拔的成型方法加工制备成棒材或板材，再在高压直流油浴装置中对所制备的棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构的骨科器械。实施例1 

选用的生物可降解高分子聚合物为聚乳酸PLLA，纯镁丝材作为负载BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体和导体，体积分数为25%，制备过程如下： 

1）将纯镁拉拔成直径为0.3mm的丝材； 

2）配制BaTiO₃溶胶溶液和电泳-微弧氧化处理：室温下，称取0.25mol的Ba(OH)₂·8H₂O溶于170ml的CH₃COOH中，加热到70℃并强烈搅拌，同时冷却回流1h，冷却至室温，量取85ml的钛酸四丁酯，再加入250ml无水乙醇，快速搅拌冷却后逐滴加入冷却回流溶液中，同时剧烈搅拌20min，得到BaTiO₃溶胶溶液。量取200mL胶体溶液加入到4L微弧氧化电解液中，电解液主要成分为10g/L硅酸钠、2g/L NaOH和8g/L羟基磷灰石纳米颗粒。将镁丝材浸于其中，施加420V电压，进行10分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成一层含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，多孔功能薄膜的平均微孔大小为25μm； 

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：将上述电泳-微弧氧化处理后表面具有多孔功能薄膜的镁丝材再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中进行溶胶封孔涂覆处理，浸渍时间4小时后取出干燥，制得的BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜平均层厚约为80μm； 

4）将PLLA聚合物加热至190℃熔融后，与上述表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的镁合金丝材导电载体材料、石墨烯（体积分数为0.05%）混合，并通过热挤压方法加工制备成棒材，再在高压直流油浴装置中对得到的棒材进行极化处理，极化温度为90℃，极化时间为20min，极化电压为4000V，最后经机械加工成销、螺丝、骨钉等骨科用固定器件。 

实施例2 

选用可降解吸收的高分子聚合物为聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物PGLA，AZ31B镁合金板材作为负载BaTiO₃压电陶瓷薄膜的载体和导体，体积分数为40%，制备过程如下： 

1）将镁合金热轧成0.5mm的板材； 

2）配制BaTiO₃溶胶溶液和电泳-微弧氧化处理：室温下，称取0.25mol的Ba(OH)₂·8H₂O溶于200mL的CH₃COOH中，加热到70℃并强烈搅拌，同时冷却回流2h，冷却至室温，量取85ml的钛酸四丁酯，再加入250ml无水乙醇，快速搅拌冷却后逐滴加入冷却回流溶液中，同时剧烈搅拌30min，得到BaTiO₃溶胶溶液。量取200mL胶体溶液加入到5L微弧氧化电解液中，电解液主要成分为8g/L硅酸钠、2g/L NaOH，将镁合金板材浸于其中，施加380V电压，进行20分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，多孔功能薄膜平均微孔大小为30μm； 

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：将上述电泳-微弧氧化处理后表面具有多孔功能薄膜的镁丝材再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中进行溶胶封孔涂覆处理，浸渍时间5小时后取出干燥，制得的BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜平均层厚约为90μm； 

4）将碘化钠、石墨烯（体积分数为0.5%）加入到溶有聚合物PGLA的三氯甲烷溶液中制得浆料，再与上述表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的镁合金板材导电载体材料混合，真空干燥后通过热模压方法加工制备成板材，再在高压直流油浴装置中对得到的板材进行极化处理，极化温度为100℃，极化时间为20min，极化电压为3000V，最后，通过普通机加工的方法将其加工成骨板等骨科用固定器件。 

实施例3 

选用的可降解吸收高分子聚合物为聚乙醇酸（PGA），QE22镁合金丝材作为负载BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体和导体，体积分数为30%，制备过程如下： 

1）将镁合金拉拔成直径为0.5mm的丝材； 

2）配制BaTiO₃溶胶溶液和电泳-微弧氧化处理：室温下，称取0.25mol的 Ba(OH)₂·8H₂O溶于200mL的CH₃COOH中，加热到70℃并强烈搅拌，同时冷却回流2h，冷却至室温，量取100ml的钛酸四丁酯，再加入300ml无水乙醇，快速搅拌冷却后逐滴加入冷却回流溶液中，同时剧烈搅拌30min，得到BaTiO₃溶胶溶液。量取300mL胶体溶液加入到5L微弧氧化电解液中，电解液成分主要为10g/L硅酸钠、3g/L NaOH和10g/L羟基磷灰石纳米颗粒，将镁合金丝材浸于其中，施加380V电压，进行15分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成一层含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，多孔功能薄膜平均微孔大小为25μm； 

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：将上述电泳-微弧氧化处理后表面具有多孔功能薄膜的镁丝材再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中进行溶胶封孔涂覆处理，浸渍时间4小时后取出干燥，制得的BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜平均层厚约为90μm； 

4）将碘化钠、石墨烯（体积分数为2%）加入到溶有聚合物PGA的三氯甲烷溶液中制得浆料再与上述表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的镁合金板材导电载体材料混合，真空干燥后通过热拉拔方法加工制备成棒材，再在高压直流油浴装置中对得到的棒材进行极化处理，极化温度为100℃，极化时间为30min，极化电压为5000V，最后，再经机械加工成销、螺丝、骨钉等骨科用固定器件。 

上述实施方式只是本发明的几个实例，不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容作出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。 

Claims (4)

1.一种能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料，其特征在于：所述骨科器械材料是由医用可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中用于改善电极化效果的石墨烯、表面负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜并能传导压电信号的导电载体材料组成，并经热压力成型和电极化处理制备而成，其中，所述导电载体材料为纯镁或镁合金丝材或板材，其体积分数为10%～75%，采用电泳-微弧氧化法结合溶胶封孔涂覆成膜法复合形成的双重负载方法，将BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜负载在导电载体材料上，BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜层厚为1～200μm，石墨烯的体积百分比为0.01%～5%，其余为医用可吸收高分子聚合物。

2.根据权利要求1所述的能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料，其特征在于：所述的医用可吸收高分子聚合物为可吸收的聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇、聚酰胺的一种或者其中两种或两种以上它们的共聚物或共混物。

3.根据权利要求1所述的能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料，其特征在于：所述医用可吸收高分子聚合物中还可以加入少量的石墨、碳纳米管或纳米导电炭黑提高极化效果。

4.一种如权利要求1所述的能促进骨组织生长的可吸收骨科器械材料的制备方法，其特征在于：该骨科器械材料的具体制备步骤如下：

1）导电载体材料的加工：将导电载体材料纯镁或镁合金通过拉拔、轧制或挤压方法制成丝材或板材；

2）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的电泳-微弧氧化法初次负载：将预先配制好的BaTiO₃胶体溶液加入到微弧氧化碱性电解液中，用电泳-微弧氧化处理方法在导电载体材料纯镁或镁合金丝材或板材表面制备出含BaTiO₃压电陶瓷的多孔功能薄膜，电泳-微弧氧化电压为100～600V，处理时间为2～60min；

3）BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载：在步骤2）的基础上，将导电载体材料再浸渍到BaTiO₃溶胶溶液中0.5～10h，进行BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的溶胶封孔涂覆成膜二次负载，之后取出干燥；

4）骨科器械的成型加工与电极化处理：将经有机溶剂溶解或高温熔融而形成的聚合物浆料与石墨烯混合均匀形成混合浆料，再经过浸渍或涂覆工艺与负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有BaTiO₃压电陶瓷功能薄膜的载体材料排列在模具型腔内，再注入前述混合浆料，然后，通过热模压、挤压、注塑或拉拔的成型方法加工制备成棒材或板材，再在高压直流油浴装置中对所制备的棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构的骨科器械。