CN103751840B - 一种具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架，该支架由具有多孔可控低模量的钛合金支架及其表面的生物活性涂层组成。本发明还公开了制备该骨缺损支架的制备方法，首先通过快速成型技术制备出低模量的具有可控内部微结构的多孔钛合金支架；其次在具有可控微结构的支架表面制备均匀的羟基磷灰石涂层及掺锶的羟基磷灰石涂层，配制一定浓度的电解液，在三电极系统的电解槽中控制电位进行脉冲电化学沉积；制备的钛合金支架弹性模量与骨相当，制备的羟基磷灰石涂层或掺锶的羟基磷灰石涂层与钛合金结合优良，锶元素的浓度可控，具有该生物活性涂层的植入体可以用于临床上大块承重部位的骨缺损。

Description

一种具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用多孔金属支架及其制备方法，特别涉及由多孔钛合金支架及在其表面沉积的羟基磷石灰涂层或掺锶羟基磷石灰涂层组成的骨缺损修复支架及其制备方法。

背景技术

目前金属钛及其合金作为植入体广泛用于骨科及口腔等领域。但其弹性模量较高(110GPa)，与人体骨组织的弹性模量不相匹配，易出现应力遮挡现象阻止骨愈合。为了克服这一问题，许多学者应用传统的方法制作出多孔金属支架，的确在很大程度上降低了弹性模量，但是其缺乏对孔的内部结构及材料外形的精确控制，常常不能满足医疗内植物的需求。随着快速成型技术的发展，不但可以实现复杂外形的构建，而且能够精确控制内部的结构，如孔径大小、孔的连通性及形状等，在很大程度上降低了弹性模量，极大提高了本身的生物相容性。

医用生物金属表面沉积生物活性涂层能够充分发挥金属材料和生物活性材料的优点，也是骨组织工程学研究的热点之一。羟基磷灰石(HA)作为磷酸钙陶瓷的一种，它的化学结构与天然骨矿物质相近，因此具有良好的骨诱导性和骨传导性。锶(Sr)离子是正常骨组织的一种微量离子，其本身具有促进成骨和抑制破骨细胞的双重作用，雷尼酸锶作为一种治疗和预防绝经后妇女的骨质疏松药物已经应用于临床。掺锶的羟基磷灰石指传统的羟基磷灰石中加入锶元素。不仅有利于细胞增殖和黏附，而且增强了体内的骨诱导能力。

目前关于金属表面沉积HA的方法主要有等离子喷涂、高速氧焰喷涂法、溶胶-凝胶法和电化学沉积等。前两种方法均为线性工艺，对于形状复杂尤其是内部多孔的结构难以实现均一涂覆。溶胶-凝胶法则存在涂层与基底结合力差，易脱落等缺点。电化学沉积具有设备简便、成本低、工艺简便等优点。王小祥等采用直流电模式的电化学沉积在结构单一的钛表面制备了掺锶的羟基磷灰石涂层，但是这种恒电流或是恒电压的电沉积模式容易出现涂层的不均一性，尤其针对于内部结构复杂的多孔基体。

脉冲电化学沉积方法的工作原理主要是利用电压脉冲的张弛增加阴极的活化极化和降低阴极的浓差极化，它通过周期的连续重复脉冲电压能够得到均匀致密涂层。在很大程度上克服了上述缺点，大大提高了生物涂层的均匀性，尤其针对于结构复杂的金属基体。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架的制备方法。本发明的另一目的在于提供一种通过上述制备方法制备而成的骨缺损修复支架。该骨缺损修复支架由钛合金支架及在其表面沉积的生物活性涂层组成。在金属支架表面沉积生物活性涂层使这种高强度、低模量的金属支架达到良好的骨整合，为临床大块骨缺损的修复提供方法。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

1.具有多孔可控低模量的钛合金支架的制备

制备多孔可控低模量的钛合金支架使用的快速成型技术包括选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔融技术(SLM)、电子束熔融技术(EBM)。制备的钛合金支架孔径为100μm～2000μm，优选300μm～500μm，弹性模量小于10GPa。

本发明提供了一种利用激光烧结技术制备的钛合金支架，具体制备过程如下：首先利用Unigraphics软件设计构建出三维图形，输入至选择性激光烧结设备，

设置特定的激光波长，在氩气的保护下，采用CO₂激光束将Ti6A14V粉末进行选择性烧结成型，然后对Ti6A14V实心部分粉末进行烧结，不断循环，层层堆积成型，后期采用线切割和热处理的应力释放，最后进行超声波清洗去除残留粉末，得到与所需形状不一致的多孔支架。优选地，Ti6A14V粉末的颗粒为径为26μm-53μm。

2.生物活性涂层的制备

(1)步骤1制备的具有多孔可控低模量的钛合金支架经过超声波清洗后酸、碱表面处理；

(2)把钙盐和磷酸盐用蒸馏水溶解，混合溶液中钙/磷摩尔比为1.67，然后用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液；或把钙盐、磷酸盐和锶盐用蒸馏水溶解，混合溶液中(钙+锶)/磷摩尔比为1.67，用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液。以经过步骤(1)处理的钛合金支架作为工作电极，环形钛丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极的电解槽中进行电沉积。脉冲电沉积过程均在室温或恒温加热条件下进行；

(3)经过步骤(2)处理的钛合金支架取出后利用超声波清洗去除表面附着的电解液并干燥。

优选地，电沉积中电化学参数为：脉冲宽度为1s～200s，脉冲低电位为-1.2V～-2.0V，脉冲高电位为0V，沉积时间为3600s。

本发明使用的钙盐选自硝酸钙、硫酸钙、氯化钙中的至少一种。

本发明使用的磷酸盐选自磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸钾、磷酸钠中的至少一种。

本发明使用的锶盐选自硝酸锶、盐酸锶、硫酸锶中的至少一种。

本发明的优点和有益效果在于：

(1)本发明制备的具有多孔可控低模量的钛合金支架具有与自然骨相近的弹性模量，多孔结构有利于生长因子、血管及新生骨组织的长入，有效地解决了骨-材料界面应力问题，具有比致密材料更好的力学相容性和骨长入能力。

(2)本发明首次通过脉冲电化学沉积方法在金属支架表面沉积具有复杂多孔结构的羟基磷灰石涂层和掺锶羟基磷灰石涂层，该技术能够明显降低恒电流或恒电压导致的浓度极差，可显著提高电流效率，使涂层结晶紧密、牢固、均匀性好，同时具有良好的骨诱导性，能够促进骨性组织的长入。

附图说明

图1本发明设计的多孔支架的实物图；

图2无涂层的多孔钛合金支架的SEM照片；

图3HA涂层的SEM照片；

图4Sr-HA涂层的SEM照片；

图5HA涂层和Sr-HA涂层的XRD图谱。

具体实施方式

实施例1

1.具有多孔可控低模量的钛合金支架的制备

利用Unigraphics软件设计构建出三维图形，图形体积为15mm×15mm×15mm圆柱体，输入至选择性激光烧结设备，设置特定的激光波长，在氩气的保护下，采用CO₂激光束将Ti6A14V粉末(颗粒直径为26μm-53μm)进行选择性烧结成型，首先对于实心部分粉末进行烧结，不断循环，层层堆积成型，后期采用线切割和热处理的应力释放，最后进行超声波清洗去除残留粉末，得到与所需形状一致的多孔支架。所制备的多孔支架内部每一个微结构为菱形正十二面体，孔柱的直径为300μm，抗压强度为84MPa，弹性模量为3.5GPa。

2.生物活性涂层的制备

(1)步骤1制备的多孔钛合金支架经过超声波清洗后酸、碱处理；

(2)把硝酸钙和磷酸钾用蒸馏水溶解，混合溶液中钙/磷摩尔比为1.67，然后用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液；或把硝酸钙、磷酸钾和硝酸锶用蒸馏水溶解，混合溶液中(钙+锶)/磷摩尔比为1.67，用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液。以本发明制备的多孔钛合金作为工作电极，环形钛丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极的电解槽中进行电沉积。脉冲电沉积过程均在室温或恒温加热条件下进行。电沉积中电化学参数为：脉冲宽度为1s，脉冲低电位为-1.2V，脉冲高电位为0V，沉积时间为3600s。

(3)经过步骤(2)处理的多孔钛合金支架取出后利用超声波清洗去除表面附着的电解液并干燥。

实施例2

1.具有多孔可控低模量的钛合金支架的制备

利用Unigraphics软件设计构建出三维图形，图形体积为15mm×15mm×15mm圆柱体，输入至选择性激光烧结设备，设置特定的激光波长，在氩气的保护下，采用CO₂激光束将Ti6A14V粉末(颗粒直径为26μm-53μm)进行选择性烧结成型，首先对于实心部分粉末进行烧结，不断循环，层层堆积成型，后期采用线切割和热处理的应力释放，最后进行超声波清洗去除残留粉末。得到与所需形状一致的多孔支架。所制备的多孔支架内部每一个微结构为菱形正十二面体，孔柱的直径为300μm，抗压强度为84MPa，弹性模量为3.5GPa。

2.生物活性涂层的制备

(1)步骤1制备的多孔钛合金支架经过超声波清洗后酸、碱处理；

(2)把硫酸钙和磷酸钠用蒸馏水溶解，混合溶液中钙/磷摩尔比为1.67，然后用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液；或把硫酸钙、磷酸钠和盐酸锶用蒸馏水溶解，混合溶液中(钙+锶)/磷摩尔比为1.67，用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液。以本发明制备的多孔钛合金作为工作电极，环形钛丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极的电解槽中进行电沉积。脉冲电沉积过程均在室温或恒温加热条件下进行。电沉积中电化学参数为：脉冲宽度为100s，脉冲低电位为-1.5V，脉冲高电位为0V，沉积时间为3600s。

(3)经过步骤(2)处理的多孔钛合金支架取出后利用超声波清洗去除表面附着的电解液并干燥。

利用本实施例的技术方案制备的HA涂层和Sr-HA涂层的SEM照片(图3和图4)显示：支架上的涂层均匀分布，无大块颗粒及团块聚集。

上述技术方案制备的两种涂层的XRD图谱(图5)显示：相对于纯的羟基磷灰石涂层，掺锶羟基磷灰石的衍射峰型窄且尖锐，说明锶提高了羟基磷灰石的结晶度。

实施例3

1.具有多孔可控低模量的钛合金支架的制备

利用Unigraphics软件设计构建出三维图形，图形体积为15mm×15mm×15mm圆柱体，输入至选择性激光烧结设备，设置特定的激光波长，在氩气的保护下，采用CO₂激光束将Ti6A14V粉末(颗粒直径为26μm-53μm)进行选择性烧结成型，首先对于实心部分粉末进行烧结，不断循环，层层堆积成型，后期采用线切割和热处理的应力释放，最后进行超声波清洗去除残留粉末。得到与所需形状一致的多孔支架。所制备的多孔支架内部每一个微结构为菱形正十二面体，孔柱的直径为300μm，抗压强度为84MPa，弹性模量为3.5GPa。

2.生物活性涂层的制备

(1)步骤1制备的多孔钛合金支架经过超声波清洗后酸、碱处理；

(2)把氯化钙和磷酸氢二铵用蒸馏水溶解，混合溶液中钙/磷摩尔比为1.67，然后用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液；或把氯化钙、磷酸氢二铵和硫酸锶用蒸馏水溶解，混合溶液中(钙+锶)/磷摩尔比为1.67，用氨水调节溶液pH为6.0，将此溶液作为电解液。以本发明制备的多孔钛合金作为工作电极，环形钛丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极的电解槽中进行电沉积。脉冲电沉积过程均在室温或恒温加热条件下进行。电沉积中电化学参数为：脉冲宽度为200s，脉冲低电位为-2.0V，脉冲高电位为0V，沉积时间为3600s。

(3)经过步骤(2)处理的多孔钛合金支架取出后利用超声波清洗去除表面附着的电解液并干燥。

上述实施例的说明只是用于理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也将落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例4

利用微弧氧化技术制备掺锶羟基磷灰石涂层，具体步骤如下：

(1)常规方法制备长、宽、厚为10mm×10mm×1mm的钛合金实体样本，经过超声波清洗后酸、碱处理；

(2)制备Sr-HA涂层使用蒸馏水配制硫酸钙、磷酸钠和盐酸锶的混合溶液，其中(钙+锶)/磷摩尔比为1.67。以步骤(1)制备的多孔钛合金为阳极，不锈钢或钛为阴极，采用直流电源进行微弧氧化。电压为300V～500V，保持电解液温度高于50℃。微弧氧化为5min，在钛合金表面形成厚度约为20μm的多孔涂层。

(3)制备多孔钛合金支架，步骤同实施例2，重复步骤(2)的操作，同时不断调整电流强度、电压及微弧氧化时间，均不能在这种多孔复杂结构表面形成多孔涂层，这是因为在多孔结构表面存在微球，导致上述实验方案不可行；因此相比较脉冲电化学沉积技术，微弧氧化技术对于样本要求更高且操作难度较大。

Claims (5)

1.一种具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)利用选择性激光烧结技术制备具有多孔可控低模量的钛合金支架，操作步骤如下：利用Unigraphics软件设计构建出三维图形，输入至选择性激光烧结设备，设置特定的激光波长，首先对颗粒直径为26μm-53μm的Ti6Al4V实心部分粉末进行烧结，不断循环，层层堆积成型，后期采用线切割和热处理的应力释放，最后进行超声波清洗去除残留粉末；

(2)步骤(1)中所述的钛合金支架经过超声波清洗后进行酸、碱表面处理；

(3)制备羟基磷灰石或掺锶羟基磷灰石构成元素的电解液，以经过步骤(2)处理的钛合金支架作为工作电极，环形钛丝作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，在三电极系统的电解槽中控制电位进行脉冲电化学沉积；所述电化学沉积的脉冲宽度为1s～200s，脉冲低电位为-1.2V～-2.0V，脉冲高电位为0V，沉积时间为3600s；

(4)经过步骤(3)处理的钛合金支架取出后利用超声波清洗去除表面附着的电解液并干燥。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述羟基磷灰石构成元素的电解液为使用钙盐、磷酸盐配制而成的钙/磷摩尔比为1.67的电解液，以蒸馏水作为溶剂；所述掺锶的羟基磷灰石构成元素的电解液为使用钙盐、磷酸盐和锶盐配制而成的(钙+锶)/磷摩尔比为1.67的电解液，以蒸馏水作为溶剂。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述电解液的pH为6.0，用氨水调节。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钙盐选自硝酸钙、硫酸钙、氯化钙中的至少一种；所述磷酸盐选自磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸钾、磷酸钠中的至少一种；所述锶盐选自硝酸锶、盐酸锶、硫酸锶中的至少一种。

5.一种利用权利要求1所述的制备方法制备的具有多孔可控低模量的骨缺损修复支架，其特征在于，所述支架由具有多孔可控低模量的钛合金支架及在其表面沉积的羟基磷灰石涂层或掺锶羟基磷灰石涂层组成，所述多孔可控低模量的钛合金支架的弹性模量为3.5Gpa。