CN103721298B

CN103721298B - 具有压电效应的可吸收骨科器械材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103721298B
Application number: CN201410006920.4A
Authority: CN
Inventors: 储成林; 李旋; 白晶; 郭超; 薛烽; 林萍华
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2034-01-07
Also published as: CN103721298A

Abstract

本发明涉及一种具有压电效应的可吸收骨科器械材料及其制备方法，该骨科器械由医用可吸收高分子聚合物、弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒和传递压电信号的可降解导电材料复合而成，使用过程中外载荷作用下弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒产生的压电信号可被植入在聚合物中生物压电陶瓷附近的导电材料-纯镁或镁合金的丝材或板材有效传递给骨科器械周围的机体组织，形成的电刺激信号能加速骨折愈合，可以是骨钉、骨板等不同的结构形式，应用前景广阔。

Description

具有压电效应的可吸收骨科器械材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有特殊功能的可吸收骨科器械及其制备方法，使用过程中会形成电刺激信号并能被有效传导给周围的机体组织，能加速骨折愈合，属于骨科器械技术领域，具体为一种具有压电效应的可吸收骨科器械材料及其制备方法。

背景技术

植入骨板、骨钉等固定器械固定骨折部位是临床上治愈骨折的主要方法之一，传统多采用不锈钢、钛合金等金属固定材料制作固定器械，但由于弹性模量较高，易引起应力遮蔽效应，从而造成骨质疏松等问题。采用生物可降解高分子聚合物如聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物等可以克服这些缺点，其强度可控制到与正常骨接近，当骨折愈合后能被肌体完全吸收而无需二次手术取出，因此受到越来越多关注。但正如人们所知，骨折后从可吸收固定器械手术植入到骨折愈合，再到器械完全降解吸收是一个长期的过程，因此，如何缩短骨折愈合时间，并能对植入物的降解情况进行跟踪观察成为研究者们关心的问题。

大量的研究表明合适的电信号可以刺激骨损伤部位的早期硬组织生长，促进正常组织的形成，提高治愈效果，缩短愈合时间。而压电材料作为一种重要的功能材料，受到载荷作用时会产生微弱的电流，因此，可以考虑将压电材料引入可吸收骨科器械，在植入人体后，能利用生物体自身运动对植入器械施加载荷从而产生压电效应形成电刺激，促进骨折愈合。

目前已有一些压电陶瓷生物相容性方面的研究，如(Li_0.06Na_0.5K_0.44) NbO₃（QiWang, et al. International Journal of Oral Science, 2009,1(2): 99-104），生物压电陶瓷与HA、TCP的复合材料（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）等，这些材料不仅具有压电效应，而且表现出良好的生物相容性。也有一些研究者对压电陶瓷和聚合物的复合材料进行研究（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），取得一些结果。

目前临床使用的可吸收高分子聚合物骨科器械不具有促进骨组织愈合的压电效应，同时也没有显影特性，骨折愈合周期长，且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。将生物压电陶瓷颗粒与医用高分子聚合物混合制备的骨科器械有望具有压电效应，但存在如下几个技术难题: （1）压电陶瓷极化效果差，因为生物压电陶瓷颗粒弥散分布在高分子聚合物中，生物可降解高分子聚合物的介电性能差，造成其中分布的压电陶瓷极化效果差；（2）应力敏感性低，生物可降解高分子聚合物模量低，不利于外界微弱载荷的应力传递，应力敏感性差，这会影响到压电陶瓷所产生压电信号的强度；（3）压电信号传导困难，由于生物可降解高分子聚合物导电性较差，造成微弱的压电信号难以顺利地被传递给骨科器械周围的机体组织。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有压电效应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解决生物压电陶瓷颗粒与医用高分子聚合物复合制备的骨科器械存在的上述压电陶瓷极化效果差、应力敏感性低、压电信号传导困难等难题，涉及到可降解导电材料的选择、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等技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

本发明的一种具有压电效应的可吸收骨科器械材料由医用可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒、造影材料、用于传导压电信号的导电材料和用于改善电极化效果的石墨烯组成，并通过热压力成型和电极化处理制备而成，其中，生物压电陶瓷颗粒的体积百分比为1%～15%，导电材料为纯镁或镁合金丝材或板材，其体积百分比为10%～75%，造影材料的体积百分比为0.1%～3%，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。

所述生物可降解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。

所述生物压电陶瓷颗粒成分为BaTiO₃、铌酸锂钠钾（LNK）、Bi_0.5Na_0.5TiO₃中的一种或几种。

所述的造影材料为泛影酸、碘海醇、碘化钠、碘化钾、碘克沙醇、Fe颗粒中的一种或几种。

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以提高电极化效果。

本发明的具有压电效应的可吸收骨科器械材料的制备方法如下：

1）聚合物、压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯的混合：将生物可降解吸收高分子聚合物溶于有机溶剂或高温熔融得到聚合物浆料，然后加入生物压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯混合均匀；

2）可降解导电材料的加工：将作为导电材料的纯镁或镁合金经拉拔或轧制加工成丝材或板材；

3）骨科器械的成型加工与电极化处理：将与步骤1）得到的含有生物压电陶瓷颗粒、造影材料和石墨烯的聚合物混合浆料再经过浸渍或涂覆工艺与导电材料复合制成预制坯，或先将导电材料丝材或板材排列在模具型腔内，再注入混合浆料，然后，采用热模压、挤压、注塑或拉拔等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棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构骨科器械。

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。载荷作用下产生的压电信号能被丝材或板材状的导电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。通过在聚合物中加入造影材料，能提高X射线的吸收效果，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，而所用的压电陶瓷颗粒和石墨烯无毒，可以沉积在新生骨组织中或经人体内循环系统排出体外，表现出良好的生物相容性。同时，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

本发明一种具有压电效应的可吸收骨科器械由医用可吸收高分子聚合物、弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒、造影材料、传导压电信号的可降解导电材料和用于改善电极化效果的石墨烯组成，再经热压力成型和电极化处理而成，载荷作用下弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒产生的压电信号可被植入在聚合物中压电生物陶瓷颗粒附近的导电材料纯镁或镁合金丝材或板材以及石墨烯有效传递给骨科器械周围的机体组织，形成的电刺激信号能加速骨折愈合，其中，生物压电陶瓷颗粒的体积百分比为1%～15%，导电材料为纯镁或镁合金丝材或板材，其体积百分比为10%～75%，造影材料的体积百分比为0.1%～3%，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。

所述及骨科器械的制备步骤如下：

1）聚合物、压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯的混合：将生物可降解吸收高分子聚合物溶于有机溶剂或高温熔融得到聚合物浆料，然后加入生物压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯混合均匀。与其它碳材料相比，生物相容性优异的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。

2）可降解导电材料的加工：将作为导电材料的纯镁或镁合金经拉拔或轧制加工成丝材或板材。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，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。因此，选用镁及其合金丝材或板材作为本发明的可降解导电材料，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。

3）骨科器械的成型加工与电极化处理：将与步骤1）得到的含有生物压电陶瓷颗粒、造影材料和石墨烯的聚合物混合浆料再经过浸渍或涂覆工艺与导电材料丝材或板材复合制成预制坯，或先将导电材料排列在模具型腔内，再注入混合浆料，然后，采用热模压、挤压、注塑或拉拔等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棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构骨科器械。

所述生物压电陶瓷颗粒成分可以为BaTiO₃、铌酸锂钠钾（LNK）、Bi_0.5Na_0.5TiO₃中的一种或几种。

造影材料为泛影酸、碘海醇、碘化钠、碘化钾、碘克沙醇中的一种或几种。

造影材料还可为可降解的Fe颗粒。

所述生物可降解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。

实施例1

选用的可降解吸收高分子聚合物为聚乳酸（PLLA），作为导电材料的镁丝体积分数为20%。骨科器械的制备过程如下：

1）将PLLA聚合物加热至190℃熔融后，加入BaTiO₃颗粒（粒径为50μm，体积分数为20%）、碘化钠（体积分数为0.5%）、石墨烯（体积分数为0.05%）混合制成浆料；

2）将纯镁拉拔成直径为0.3mm的丝材；

3）将2）得到的镁丝排列在模具型腔内，再将1）得到的浆料注入型腔与丝材混合均匀，再在170℃模压成棒材；

4）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

选用的可降解吸收高分子聚合物为聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物PGLA，作为导电材料的镁合金成分为AZ31B，体积分数为30%。骨科器械制备过程如下：

1）将PGLA聚合物加热至190℃熔融后，加入铌酸锂钠钾颗粒（粒径为40μm，体积分数为15%）、碘化钠（体积分数为1%）、石墨烯（体积分数为0.5%）混合制成浆料；

2）将镁合金热轧成0.5mm的板材；

3）将2）得到的镁合金板材排列在模具型腔中，再将1）得到的浆料注入型腔与板材混合均匀，160℃模压成板材；

4）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30min，极化电压为5000V，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

选用的高分子聚合物为聚乙二醇（PEG）与聚乳酸（PLA）共聚得到PLA-PEG-PLA嵌段共聚物，作为导电材料的镁合金成分为QE22，体积分数为40%，骨科器械制备过程如下：

1）将高分子聚合物溶入三氯甲烷溶液中，并加入Bi_0.5Na_0.5TiO₃颗粒（粒径为60μm，体积分数为10%）、Fe颗粒（体积分数为1%）、石墨烯（体积分数为0.1%）和纳米导电炭黑（体积分数为1%）物理混合均匀，得到聚合物浆料；

2）将镁合金拉拔成直径为0.5mm的丝材；

3）将2）得到的丝材分布在模具型腔中，再将1）得到的浆料注入其中混合均匀，真空干燥后高温下模压成型成板材；

4）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。

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

1.一种具有压电效应的可吸收骨科器械材料，其特征在于：该骨科器械材料由医用可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中的生物压电陶瓷颗粒、造影材料、用于传导压电信号的导电材料和用于改善电极化效果的石墨烯组成，并通过热压力成型和电极化处理制备而成，其中，生物压电陶瓷颗粒的体积百分比为1％～15％，导电材料为纯镁或镁合金的丝材或板材，其体积百分比为10％～75％，造影材料的体积百分比为0.1％～3％，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所述的具有压电效应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所述的具有压电效应的可吸收骨科器械，其特征在于：所述生物压电陶瓷颗粒成分为BaTiO₃、铌酸锂钠钾(LNK)、Bi_0.5Na_0.5TiO₃中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的具有压电效应的可吸收骨科器械材料，其特征在于所述的造影材料为泛影酸、碘海醇、碘化钠、碘化钾、碘克沙醇、Fe颗粒中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的具有压电效应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以提高电极化效果。

6.一种如权利要求1所述的具有压电效应的可吸收骨科器械材料的制备方法，其特征在于所述及骨科器械材料的制备步骤如下：

1)聚合物、压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯的混合：将生物可降解吸收高分子聚合物溶于有机溶剂或高温熔融得到聚合物浆料，然后加入生物压电陶瓷颗粒、造影材料、石墨烯混合均匀；

2)可降解导电材料的加工：将作为导电材料的纯镁或镁合金经拉拔或轧制加工成丝材或板材；

3)骨科器械的成型加工与电极化处理：将与步骤1)得到的含有生物压电陶瓷颗粒、造影材料和石墨烯的聚合物混合浆料再经过浸渍或涂覆工艺与导电材料复合制成预制坯，或先将导电材料丝材或板材排列在模具型腔内，再注入混合浆料，然后，采用热模压、挤压、注塑或拉拔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棒材和板材进行极化处理，最后经机械加工成所需结构骨科器械。