CN102397589A - 生物可吸收医用复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种生物可吸收的复合材料及其制备方法，是以可吸收高分子材料为基体，并在该基体中通过经微弧氧化后的镁合金丝材或纤维形成定向分散排列或在基体中镁合金丝材或纤维编织构成二维网格状或三维管网格状以增强可吸收复合材料的机械性能，将聚乳酸等可降解聚合物基体与镁合金丝材或纤维增强相混合，并在压力下模压或挤压成棒材和板材，并通过后续机加工获得各种可降解生物医用复合材料。该方法具有工艺条件温和、操作简单的特点，其产品机械性能优良、生物相容性好、产品降解安全稳定可控，适合于各种形状的骨科内固定制品，避免了现有骨科产品需要二次手术或提前失效给患者带来的痛苦，具有广阔的市场前景。

Description

生物可吸收医用复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械中骨科内固定材料，属于生物医疗器械领域，特别适用于骨创伤外科、骨缺损修复外科、整形美容用医疗器械领域。具体为一种生物可吸收医用复合材料，它是由具有可吸收性的镁合金丝材或纤维增强相与聚乳酸基体复合形成的骨内固定复合材料。

背景技术

骨内固定技术是骨创伤外科、骨缺损修复外科、整形美容的常规手段，目前临床上内固定接骨板和螺钉以纯钛或钛合金制作的最为常用，其稳定的固定效果和优越的生物相容性为骨组织愈合提供了良好的内环境，但其也存在如下问题：(1)钛金属弹性模量是皮质骨的8倍，对正常骨组织存在应力遮挡效应，易造成骨质疏松和再次骨折；(2)不能降解吸收，如长期使用，会遮挡X射线，影响影像检查和肿瘤病人化疗。因此，需二次手术取出，造成二次损伤。

近年来，逐渐应用于临床的可吸收内固定高分子材料部分克服了以上缺点。目前，在骨外科应用的可吸收内固定高分子材料主要是聚酯类可吸收材料，其单体主要是乳酸(lacticacid，LA)和乙醇酸(glycolic acid，GA)，通过缩聚作用形成聚丙交酯(聚乳酸，polylactic acid，PLA)与聚乙交酯(聚羟基乙酸，poly glycolic acid，PGA)。但相对于钛板，其强度不足，若将可吸收高分子板固定于受力较大的骨折断端，随着可吸收板降解，固定力减弱，可能导致二次骨折。其次，可吸收高分子板降解产物为酸性，即在可吸收板的降解期间，骨折区一直处于低pH值状态，这种环境易引起局部炎症反应，影响成骨细胞活性。再次，可吸收板对X线不阻射，这对手术后疗效观察造成一定的不便。另外，可吸收板的降解速度与骨折愈合速度较难同步，若降解过快，将导致固定强度不足而二次骨折，过慢则影响骨愈合。

因此，寻找合适的高强度、低弹性模量的可吸收生物材料，尤其是对骨高应力骨折段内固定手术就显得尤为重要。

镁及其合金具有优良的力学性能和可降解性。其具有良好的力学相容性，弹性模量约为41～45GPa，比钛金属更接近于人骨；其密度在1.7～1.9g/cm³左右，和人骨密质骨密度相近；其比强度、比刚度较高，通过适当的合金化、冷热塑性变形与热处理，可将拉伸强度提高到400MPa以上，满足骨固定材料的力学强度要求；对人体无害，具有良好的生物相容性，还是众多酶的共同因子，又是能量转运、贮存和利用的关键元素，能调节、稳定RNA和DNA的结构，对于调节细胞的生长和维持细胞膜结构有重要作用；过量的镁可以通过尿液排出体外，具有良好的安全性。

但是，镁合金耐腐蚀性能较差，在人体内生物降解速度过快，往往在骨折固定愈合尚未完全稳定之前就腐蚀严重，而且过快的腐蚀降解速度会造成力学强度大幅降低，降低骨折固定的能力，且快速大量释放的镁金属离子会造成溶骨现象。尽管目前也有通过表面改性处理提高其耐腐蚀能力的研究报道，但效果均不太理想。

因此，为了解决上述存在的问题，本发明制备的一种由具有可吸收性的镁合金丝材或纤维作为增强相与聚乳酸作为基体的骨内固定复合材料，其性能兼具可吸收高分子材料和可降解镁合金的各自的优势，但同时又能克服两者各自的缺点，在骨创伤外科、骨缺损修复外科、整形美容，尤其是高应力骨折段内固定方面有很好的应用前景，但迄今国内外尚未见有相关的研究报道。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种可控降解的骨内固定器件用复合材料及该复合材料的制备方法，克服由单纯医用钛合金、或单纯镁合金或可吸收聚乳酸类材料制造的骨科固定器件的缺陷。

技术方案：本发明的生物可吸收医用复合材料由可吸收镁合金丝材或纤维形成的增强相和可吸收高分子材料聚乳酸形成的基体复合制备而成，其中按重量百分比计算，聚乳酸占材料总重量的50％～99.5％，镁合金丝材或纤维占材料总重量的0.5％～50％。

所述镁合金丝材或纤维的直径为0.01mm～1.5mm，镁合金丝材或纤维的表面通过微弧氧化方法制备了一层生物可降解的陶瓷保护层，以控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度；该陶瓷保护层厚度为0.1μm～300μm，由氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石组成。

所述镁合金丝材或纤维在基体中的分布为定向平行分散排列，或按一定的函数规律定向分散排列，或在基体中镁合金丝材或纤维编织构成二维网格状或三维管网格状。

所述聚乳酸为聚L-乳酸，或者聚(D，L)-乳酸或者是两者的共聚物或混合物，或者为乳酸同乙醇酸的共聚物，聚乳酸分子量为5万～150万。

所述镁合金丝材或纤维由镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁锂合金、镁钙合金或镁银合金的一种或由这些体系组合而成的三元或多元系镁合金组成。

本发明的生物可吸收医用复合材料的制备方法步骤如下：

1)选取具有合适长度和直径的镁合金丝材或纤维作为增强相，按比例配方称取相应重量的镁合金丝材或纤维和聚乳酸，用微弧氧化方法在镁合金丝材或纤维表面制备陶瓷保护膜，并按增强相在基体中的排列分布要求，将表面有陶瓷保护层的镁合金丝材或纤维先用模具进行定向排列固定，或先将镁合金丝材或纤维人工编织成二维网格状或三维管网格状，并用模具固定；

2)配料混合：将聚乳酸粉末与镁合金丝材或纤维直接混合至均匀备用，或将聚乳酸溶于二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯和四氢呋喃，然后将该聚乳酸溶液与镁合金丝材或纤维混合，搅拌均匀，再在40℃～90℃下真空干燥备用，或将聚乳酸加热到180℃～240℃，然后将镁合金丝材或纤维加入熔融状态的聚乳酸中，搅拌均匀成混合料备用；

3)模压或挤压成材：将步骤2)制得的混合料在80℃～235℃温度下，0.5MPa～40MPa压力下模压或挤压成棒材和板材。

有益效果：该发明的有益效果如下：

1、采用强度和塑性俱佳的金属镁合金丝材或纤维作为增强相，能显著提高可吸收聚乳酸复合材料的强韧性，镁合金增强相表面微弧氧化制备的陶瓷保护层具有微观多孔结构，能进一步提高镁合金增强相和聚乳酸基体之间的界面结合力，同时，金属丝材或纤维增强相在基体呈现定向排列或编织构成二维网状或三维管网状，还能够在发挥金属丝材或纤维增强相特有的定向强化效果，这是一般生物陶瓷颗粒或金属颗粒(包括镁颗粒)作为增强相所不具备的，能满足大载荷骨科内固定的强度和塑性要求。

2、该生物可吸收医用复合材料在体内降解的过程中，对其周围生理环境的局部酸碱性影响小，因为增强相镁合金丝材或纤维降解呈现碱性的特征，很好的中和了基体聚乳酸降解后的酸性环境，克服了传统聚乳酸骨科器械降解后造成的局部酸性过高过强的特征。

3、该生物可吸收医用复合材料在体内的降解吸收速度可控，因为镁合金在生理环境中的腐蚀降解速度较快，而聚乳酸，特别是分子量高的聚乳酸的降解速度相对较慢，通过调整聚乳酸基体与镁合金增强相的相对含量以及镁合金增强相表面陶瓷保护层的厚度，可以有效控制复合材料在体内的降解速度，达到理想的状态；特别是，本复合材料中，增强相镁合金丝材或纤维分散分布在聚乳酸基体中，因此，该复合材料在体内整个降解过程中保持较稳定的降解速度，不会发生突变。

4、该生物可吸收医用复合材料的所有组分均可在体内完全生物降解吸收掉，该复合材料由均具有良好生物相容性和可降解性的聚乳酸和镁合金组成，其中镁合金表面陶瓷保护层亦由具有良好生物相容性和可降解性的氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石等生物陶瓷组成，很好的克服了一般报道复合材料添加碳纤维、氧化锆陶瓷等增强相不能被完全降解掉的问题。

附图说明

图1：一种生物可吸收医用复合材料棒材的截面示意图，该复合材料棒材以聚乳酸为基体，采用镁合金丝材进行轴向定向平行排列分布增强。图中有：镁合金丝材1，聚乳酸基体2；

图2：一种生物可吸收医用复合材料板材的截面示意图，该复合材料板材以聚乳酸为基体，采用镁合金丝材进行长度方向定向平行排列分布增强。图中有：镁合金丝材1，聚乳酸基体2；

图3：一种用于增强生物可吸收医用复合材料的由镁合金丝材编织构成的三维网管状增强体示意图。

具体实施方式

本发明所述的生物可吸收医用复合材料是由可吸收的镁合金丝材或纤维而形成的增强相和可吸收高分子材料聚乳酸形成的基体复合制备而成，其中按重量百分比计算，聚乳酸占材料总重量的50％～99.5％，镁合金丝材或纤维占材料总重量的0.5％～50％。

所涉及镁合金丝材或纤维为：镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系类合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金或镁银系列合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元或多元系镁合金。

所涉及镁合金丝材或纤维主要包括：镁铝系列(除二元体系外主要包括Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE四个三元体系以及多元体系，代表性合金如AZ31，AZ61，AM60，AE21，AS21等，其中含铝质量低于10％，Zn、Mn、Si、RE质量小于5％)；镁锰系列(主要是二元Mg-0.1～2.5％Mn以及添加少量稀土、钙、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如国内牌号MB1和MB8)；镁锌系列(除二元体系外主要包括Mg-Zn-Zr和Mg-Zn-Cu系列，代表性合金ZK21，ZK60，ZC62等)；镁锆系列(主要是二元Mg-0.1～2％Zr及添加少量稀土、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如K1A等)；镁稀土系列(主要是二元Mg-0.1～5％RE)及添加少量铝、锆、钙、锌等元素组成的三元系或多元系)；镁锂合金(主要是二元Mg-1～15％Li及添加少量铝、稀土、锌和硅等元素组成的三元系或多元系，代表合金如LA91，LAZ933等)；镁钙系列(主要是二元Mg-0.1～10％Ca及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系)；镁银系列(主要是二元Mg-0.1～12％Ag及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如QE22等)等不同的合金体系的一种或者由这些体系组成的三元系和多元系镁合金。

所述镁合金丝材或纤维增强相的直径为0.01mm～2mm。

所述镁合金丝材或纤维增强相表面需通过微弧氧化方法制备一层生物可降解的陶瓷保护层，以控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度。该陶瓷保护层厚度为0.1～300μm，由氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石组成。

所述镁合金丝材或纤维在基体中的分布为定向平行分散排列，或按一定的函数规律定向分散排列，或在基体中镁合金丝材或纤维编织构成二维网格状或三维管网格状。

所述聚乳酸为聚L-乳酸，或者聚(D，L)-乳酸或者是两者的共聚物或混合物，或者为乳酸同乙醇酸的共聚物。所述聚乳酸分子量为5万～150万。

所述生物可吸收医用复合材料的制备方法是：选取具有合适长度和直径的镁合金丝材或纤维作为增强相，按比例配方称取相应重量的镁合金丝材(或纤维)和聚乳酸，用微弧氧化方法在镁合金丝材(或纤维)表面制备陶瓷保护膜，并按增强相在基体中的排列分布要求，将表面有陶瓷保护层的镁合金丝材或纤维先用模具进行定向排列固定，或先将镁合金丝材或纤维人工编织成二维网格状或三维管网格状，并用模具固定；其次将聚乳酸粉末与镁合金丝材或纤维直接混合至均匀备用，随后将混合料在80℃～235℃下，0.5MPa～40MPa压力下模压或挤压成棒材和板材，最后用机加工方法将其加工成所需的骨科用内固定器件。

所述复合材料的制备方法还可以是：选取具有合适长度和直径的镁合金丝材或纤维作为增强相，按比例配方称取相应重量的镁合金丝材(或纤维)和聚乳酸，用微弧氧化方法在镁合金丝材(或纤维)表面制备陶瓷保护膜，并按增强相在基体中的排列分布要求，将表面有陶瓷保护层的镁合金丝材或纤维先用模具进行定向排列固定，或先将镁合金丝材或纤维人工编织成二维网格状或三维管网格状，并用模具固定；将聚乳酸溶于有机溶剂如二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯和四氢呋喃；然后，将聚乳酸溶液与镁合金丝材或纤维，搅拌均匀，再在40℃～90℃下真空干燥备用；随后将混合料在80℃～235℃下，0.5MPa～40MPa压力下模压或挤压成棒材和板材，最后用机加工方法将其加工成所需的骨科用内固定器件。

所述复合材料的制备方法还可以是：选取具有合适长度和直径的镁合金丝材或纤维作为增强相，按比例配方称取相应重量的镁合金丝材(或纤维)和聚乳酸，用微弧氧化方法在镁合金丝材(或纤维)表面制备陶瓷保护膜，并按增强相在基体中的排列分布要求，将表面有陶瓷保护层的镁合金丝材或纤维先用模具进行定向排列固定，或先将镁合金丝材或纤维人工编织成二维网格状或三维管网格状，并用模具固定；将聚乳酸加热到180℃～240℃，然后将镁合金丝材或纤维加入熔融状态的聚乳酸中，搅拌均匀备用；随后将混合料在80℃～235℃下，0.5MPa～40MPa压力下模压或挤压成棒材和板材，最后用机加工方法将其加工成各种形状的骨内固定器件。

所述骨内固定器件包括但不限于接骨板及其配套螺钉、髓内钉、接骨板、脊柱骨折脱位固定器材、骨针以或单独起固定作用的螺钉。

实施例1

选取φ0.32mm、长度80mm的AZ31B镁合金丝材17根作为增强相，用10g/L硅酸钠、2g/L NaOH和10g/L羟基磷灰石纳米颗粒作为微弧氧化电解液体系，将镁合金丝材浸于其中，施加400V电压，进行10分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成一层富含氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石的陶瓷保护膜。将增强相通过两头固定按照如图1示意图所示定向排列在70mmxφ5mm模具的型腔中。称取分子量20万的聚乳酸1.7g，加热至200℃熔融后，将该溶液随即被注入模具型腔内，将聚乳酸溶液与镁合金丝材混合搅拌均匀，在190℃模压成棒材。最后，通过普通机加工的方法将其加工成销、螺丝、骨钉等骨科用固定器件。

实施例2

选取φ0.8mm长度80mm的MB8镁合金丝10根作为增强相，并将其通过如实施例1所示的微弧氧化处理方法，获得富含氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石膜层。将微弧氧化后的镁合金丝通过两头固定、沿规格为5mmx20mmx70mm的模具型腔长度方向定向排列摆放固定，如图2所示，丝材间距保持1mm以上间隙；取分子量20万的聚乳酸8.7g，加热至200℃熔融后，将该溶液随即被注入模具型腔内，将聚乳酸溶液与镁合金丝材混合搅拌均匀，在190℃模压成型。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

选取φ0.3mm的AZ31B镁合金丝材，将其通过如实施例1所示的微弧氧化处理，获得富含氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石表面保护膜层。通过人工编织制备长度为60mm、外径为φ5mm的三维网管状增强体，如图3所示，将三维网管状增强体置于规格为70mmxφ8mm的模压模具型腔中；取分子量为40万的聚乳酸4.8g溶于有机溶剂乙酸乙酯；随后将聚乳酸溶液与镁合金三维增强相混合搅拌均匀，在70℃下真空干燥；后在190℃，20MPa压力下模压成棒材。最后，用普通机加工方法可以将其加工成销、螺丝、骨钉等骨科用固定器件。

Claims (6)

1.一种生物可吸收医用复合材料，其特征在于：该复合材料由可吸收镁合金丝材或纤维形成的增强相和可吸收高分子材料聚乳酸形成的基体复合制备而成，其中按重量百分比计算，聚乳酸占材料总重量的50％～99.5％，镁合金丝材或纤维占材料总重量的0.5％～50％。

2.根据权利要求1所述的生物可吸收医用复合材料，其特征在于：所述镁合金丝材或纤维的直径为0.01mm～1.5mm，镁合金丝材或纤维的表面通过微弧氧化方法制备了一层生物可降解的陶瓷保护层，以控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度；该陶瓷保护层厚度为0.1μm～300μm，由氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石组成。

3.根据权利要求1所述的生物可吸收医用复合材料，其特征在于：所述镁合金丝材或纤维在基体中的分布为定向分散排列，或在基体中镁合金丝材或纤维编织构成二维网格状或三维管网格状。

4.根据权利要求1所述的生物可吸收医用复合材料，其特征在于：所述聚乳酸为聚L-乳酸，或者聚(D，L)-乳酸或者是两者的共聚物或混合物，或者为乳酸同乙醇酸的共聚物，聚乳酸分子量为5万～150万。

5.根据权利要求1所述的生物可吸收医用复合材料，其特征在于：所述镁合金丝材或纤维由镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁锂合金、镁钙合金或镁银合金的一种或由这些体系组合而成的三元或多元系镁合金组成。

6.一种如权利要求1所述生物可吸收医用复合材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：

1)选取具有合适长度和直径的镁合金丝材或纤维作为增强相，按比例配方称取相应重量的镁合金丝材或纤维和聚乳酸，用微弧氧化方法在镁合金丝材或纤维表面制备陶瓷保护膜，并按增强相在基体中的排列分布要求，将表面有陶瓷保护层的镁合金丝材或纤维先用模具进行定向排列固定，或先将镁合金丝材或纤维人工编织成二维网格状或三维管网格状，并用模具固定；

2)配料混合：将聚乳酸粉末与镁合金丝材或纤维直接混合至均匀备用，或将聚乳酸溶于二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸乙酯和四氢呋喃，然后将该聚乳酸溶液与镁合金丝材或纤维混合，搅拌均匀，再在40℃～90℃下真空干燥备用，或将聚乳酸加热到180℃～240℃，然后将镁合金丝材或纤维加入熔融状态的聚乳酸中，搅拌均匀成混合料备用；

3)模压或挤压成材：将步骤2)制得的混合料在80℃～235℃温度下，0.5MPa～40MPa压力下模压或挤压成棒材和板材。

Images