CN102912171A - 一种提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造出孔隙结构，从而提高纯铁或铁合金在生理环境中的降解速率。该方法旨在解决目前作为生物可降解金属材料发展的纯铁和铁合金的降解速率过于缓慢的问题，根据缝隙腐蚀的原理，在铁基可降解材料上设计和制作各种类型的孔隙结构，以达到提高材料降解速率的目的。与不带有孔隙结构设计的材料相比，其整体的降解速率得到明显提高，同时还能保持材料原有的生物相容性。

Description

一种提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法及其应用

技术领域

本发明涉及生物可降解材料技术领域，特别适用于纯铁或铁合金可降解心血管支架，具体为一种在现有生物可降解纯铁或铁合金上引入孔隙结构来提高材料降解速率的新型方法。

背景技术

现有的金属医疗器械在植入人体服役结束后，一般需要经过二次手术取出，增加了手术风险以及患者的痛苦和经济压力。而有些金属医疗器械一旦植入人体，就很难再次取出，而永久地保留在人体内。人体对异物的排斥作用，需要患者长期服用相关药物，病痛将伴随一生。此外，永久性金属植入体还有其他不足之处。以心血管支架为例，目前临床使用的金属支架由于不可降解，在人体内的长期存留可能会引起心血管的慢性损伤，后期易造成心血管的中层萎缩、动脉瘤形成及反应性的内膜增生等，因而易导致心血管内再狭窄的发生。针对这些临床问题，生物可降解金属植入材料的研发受到人们的广泛关注。

目前，生物可降解金属材料的研究主要集中镁基金属（纯镁和镁合金）和铁基金属（纯铁和铁合金）两大方向。镁合金由于过快的降解速度、较差的力学性能等问题，目前还不能完全满足生物可降解植入体的临床使用要求。铁基金属以其优异的综合性能及生物可降解性，逐渐引起了材料科学工作者和临床医生的兴趣。生物可降解铁基金属的优势在于：（1）Fe是人体内极其重要的微量元素，相关实验研究表明，纯铁或铁合金作为植入体具有一定的生物安全性。（2）铁基金属有着优良的综合力学性能，相比镁基金属，具有较高的强度和良好的塑性，能够满足植入器械在使用过程中的各种力学性能需求。（3）Fe本身是一种容易腐蚀氧化的金属，而相比镁合金较快的降解速率，纯铁或铁合金较慢的降解速率能够保证植入体在服役期内保持必要的力学性能。（4）生物相容性好，根据目前的一些研究成果，包括纯铁和铁合金的体外血液实验、细胞毒性实验和动物体内实验等，均表明其具有较好的生物相容性，这是作为外科植入体的必要条件。

但是，纯铁较慢的降解速率也是其作为生物可降解金属材料的一个最主要的限制瓶颈。研究表明，纯铁在植入体内1年后只在表面有轻微的腐蚀，在体内的存留时间相对过长，还不能成为一种理想的可降解植入材料。为了提高纯铁的降解速率，人们开展了大量的研究工作，主要是通过合金化的方法来开发新型的高腐蚀速率的铁合金。如Hermawan等研发的Fe-(25%~35%)Mn合金，Y.F.Zheng等研发的Fe-X(X=Mn、Co、Al、W、Sn、B、C、S)合金，Michael Schinhammer等研发的Fe-10Mn-1Pd、Fe-10Mn-0.7C-1Pd合金。与纯铁相比，这些新型可降解铁合金的降解速率均有不同程度的提高，但是离临床使用的要求还有较大的距离，铁基合金降解速率的提高还有很大空间。

在不改变铁基合金成分的前提下，如何来进一步提高其降解速率，通过材料外形结构的特殊设计，不失为一种值得尝试的途径。众所周知，材料的腐蚀形式有很多种类型，如均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀等。其中缝隙腐蚀是指金属材料表面由于窄缝或间隙的存在，腐蚀介质的扩散受到很大限制，由此导致窄缝内金属腐蚀加速的现象。通过特殊的结构设计，引入缝隙腐蚀过程，来提高纯铁或铁合金的生物降解速率，应该是一种创新的研究策略。

发明内容

本发明旨在解决目前作为生物可降解金属材料发展的纯铁和铁合金的降解速率过于缓慢的问题，根据缝隙腐蚀的原理，在铁基可降解材料上设计和制作各种类型的孔隙结构，以达到提高材料降解速率的目的。

本发明具体提供了一种提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造出孔隙结构，从而提高纯铁或铁合金在生理环境中的降解速率。

该种方法能够使得纯铁或铁合金在降解过程中发生缝隙腐蚀，与不带有孔隙结构设计的材料相比，其整体的降解速率得到明显提高，同时还能保持材料原有的生物相容性。

本发明提供的提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：可以在纯铁或铁合金上制造两种形状的孔隙：（a）横截面分别为圆形、长方形、正方形、三角形、五边形、六边形或不规则形状，孔径大小（定义孔径横截面最远两点间距离为孔径大小）为0.01~0.30mm，孔径大小的优选值为0.05~0.15mm。（b）横截面为窄缝状，缝的宽度为0.01~0.25mm，缝的长度为0.5~5.0mm，长宽比范围优选值为3~50。

本发明提供的提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙类型为：通孔、盲孔，以及具有锥度的通孔、盲孔。

本发明提供的提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙分布为：孔隙构成的图案是以长方形、正方形、六边形为单元的结构重复分布或不规则形状；最近邻两个孔隙间的距离（定义孔隙间的距离为最相邻的两个孔隙其横截面边缘最近两点间的距离）为0.05~2.00mm。

本发明提供的提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：所述纯铁或铁合金为生物可降解的纯铁或铁合金，其中铁合金为Fe-Mn、Fe-Mn-S、Fe-Mn-C、Fe-Mn-Pd、Fe-Mn-C-Pd、Fe-S、Fe-C、Fe-Al；按照质量百分比，各组分含量分别为：Mn：20~35%，S：0.1~1.0%，C：0.5~3%，Pd：0.5~1.5%，Al：0.5~3%，其余均为Fe。

本发明提供的提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造孔隙的工艺方法为：腐蚀造孔法、激光打孔法、电化学腐蚀法、金属沉积法。

本发明还提供了该述提高纯铁或铁合金生物降解速率方法的应用，其特征在于：该方法设计的纯铁和铁合金材料适用于制造各种可被人体吸收和降解的植入器件，包括血管支架、骨钉、骨板、骨组织工程支架，特别适用于生物可降解心血管支架的制造。

本发明通过引入缝隙腐蚀过程来提高材料的整体降解速率，促进解决和改善目前纯铁或铁合金材料降解速率过于缓慢的问题，其优点在于：

1.生物可控降解性。本发明通过选择纯铁、不同成分的铁合金以及设计不同形状、不同类型、不同分布的孔隙结构，来使材料获得不同的降解速率，以满足不同植入体的医疗设计要求。

2.生物相容性。根据目前的一些研究成果，Fe是人体内极其重要的微量元素。相关的纯铁和铁合金的体外血液相容性实验、细胞毒性实验和动物体内实验表明，这些材料具有较好的生物相容性。

3.生物安全性。相比其他通过添加合金元素来提高降解速率的方法，本发明在不改变材料成分的前提下，选择具有生物相容性的纯铁或铁合金，通过不同的孔隙结构设计达到提高降解速率的目的，保证了其作为生物可降解材料必要的安全性。

4.适用范围广。本发明的材料选择及其结构设计适用于制造各种可被人体吸收降解的植入体，应用于医疗器械领域的多个方面，包括血管支架（冠脉支架、脑血管支架、肾动脉支架、大动脉支架、外周血管支架）、骨钉、骨板、骨组织工程支架，特别适用于生物可降解心血管支架的制造。

附图说明

图1孔隙以正方形为单元的结构重复分布示意图（其中虚线框所示为一个孔隙结构，可设计成不同形状、类型的孔隙）；

图2孔隙以三角形为单元的结构重复分布示意图；

图3横截面为窄缝状的孔隙以长方形为单元的结构重复分布示意图；

图4横截面为窄缝状的孔隙以三角形为单元的结构重复分布示意图；

图5为本发明实施例6中含有孔隙结构的Fe-25Mn-1样品的SEM照片。

具体实施方式

选择实验材料，切取大小为11×11×0.2mm的样品，表面用水砂纸打磨至2000#后，按照孔隙结构设计进行打孔。然后将打孔后的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，所得实验结果，按照如下公式计算降解速率：

$\mathrm{CR}=8.76\×{10}^4\frac{W}{\mathrm{At\ρ}}$

其中，CR-降解速率（mm/year），W-样品的失重（g），A-样品暴露面积（cm²），t-浸泡时间（h），ρ-材料密度（g/cm³）。

实施例1

选择纯铁作为实验材料，孔隙横截面为圆形，孔径大小为0.08mm，孔隙类型为通孔；孔隙分布按照图1设计，孔隙间距为0.5mm。用腐蚀造孔法制备孔隙。

将制备好的样品和空白对照样品（没有孔隙结构的纯铁样品）进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：Hank’s模拟体液，实验温度：37℃，浸泡时间：30天。

计算降解速率结果：孔隙结构的纯铁样品的降解速率为0.029mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.018mm/year）相比，提高了61.1%。

实施例2

选择Fe-30Mn-1C合金为实验材料。孔隙横截面为圆形，孔径大小为0.10mm，孔隙类型为通孔；孔隙分布按照图2设计，孔隙间距为1mm。用光纤激光器进行切割打孔。

将制备好的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：0.9%NaCl溶液，实验温度：37℃，浸泡时间：15天。

计算降解速率结果：孔隙结构样品的降解速率为0.43mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.31mm/year）相比，提高了40.0%。

实施例3

选择Fe-30Mn作为实验材料，孔隙横截面为窄缝状，缝宽为0.10mm，缝长为4mm，孔隙类型为通孔；孔隙分布按照图3设计，最近邻两条缝隙间距为1mm。用激光器进行切割制孔。

将制备好的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：0.9%NaCl溶液，实验温度：37℃，浸泡时间：15天。

计算降解速率结果：孔隙结构样品的降解速率为0.176mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.116mm/year）相比，提高了51.7%。

实施例4

选择Fe-30Mn-0.5S作为实验材料，孔隙横截面为窄缝状，缝宽为0.12mm，缝长为4.5mm，孔隙类型为通孔；孔隙分布按照图4设计，最近邻两条缝隙间距为1mm。用激光器进行切割制孔。

将制备好的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：0.9%NaCl溶液，实验温度：37℃，浸泡时间：7天。

计算降解速率结果：孔隙结构样品的降解速率为0.215mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.134mm/year）相比，提高了60.4%。

实施例5

选择Fe-10Mn-1Pd合金为实验材料。孔隙横截面为圆形，孔径大小为0.07mm，孔隙类型为盲孔，盲孔深度为0.12mm；孔隙分布按照图2设计，孔隙间距为1mm。用光纤激光器进行切割打孔。

将制备好的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：SBF模拟体液，实验温度：37℃，浸泡时间：48h。

计算降解速率结果：孔隙结构样品的降解速率为0.363mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.233mm/year）相比，提高了55.8%。

实施例6

选择Fe-25Mn-1C合金为实验材料。孔隙类型为有锥度的通孔，横截面为圆形，孔径最大值为0.12mm，最小值为0.05mm，孔隙分布按照图2设计，孔隙间距为1mm。用光纤激光器进行切割打孔。图5所示为最终的孔隙结构样品的SEM照片。

将制备好的样品和空白对照样品进行浸泡失重实验，实验参数如下：浸泡溶液：Hank’s模拟体液，实验温度：37℃，浸泡时间：7天。

计算降解速率结果：孔隙结构样品的降解速率为0.092mm/year，与空白对照样品的降解速率（0.058mm/year）相比，提高了58.6%。

Claims (9)

1.一种提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金材料上制造出孔隙结构，从而提高纯铁或铁合金在生理环境中的降解速率。

2.如权利要求1所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙形状为：横截面分别为圆形、长方形、正方形、三角形、五边形、六边形或不规则形状，孔径大小为0.01~0.30mm。

3.如权利要求2所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：孔径大小为0.05~0.15mm。

4.如权利要求1所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙形状为：横截面为窄缝状，缝的宽度为0.01~0.25mm，缝的长度为0.5~5.0mm，长宽比范围为3~50。

5.如权利要求1~4所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙类型为：通孔、盲孔，以及具有锥度的通孔、盲孔。

6.如权利要求1~4所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造的孔隙分布为：孔隙构成的图案是以长方形、正方形、六边形为单元的结构重复分布或不规则形状；最近邻两个孔隙间的距离为0.05~2.00mm。

7.如权利要求1~4所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：所述纯铁或铁合金为生物可降解的纯铁或铁合金，其中铁合金为Fe-Mn、Fe-Mn-S、Fe-Mn-C、Fe-Mn-Pd、Fe-Mn-C-Pd、Fe-S、Fe-C、Fe-Al；按照质量百分比，各组分含量分别为：Mn：20~35%，S：0.1~1.0%，C：0.5~3%，Pd：0.5~1.5%，Al：0.5~3%，其余均为Fe。

8.如权利要求1~4所述提高纯铁或铁合金生物降解速率的方法，其特征在于：在纯铁或铁合金上制造孔隙的工艺方法为：腐蚀造孔法、激光打孔法、电化学腐蚀法、金属沉积法。

9.一种如权利要求1所述提高纯铁或铁合金生物降解速率方法的应用，其特征在于：该方法设计的纯铁或铁合金材料适用于制造各种可被人体吸收和降解的植入器件，包括血管支架、骨钉、骨板、骨组织工程支架，特别适用于生物可降解心血管支架的制造。

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