CN103768661B - 能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料及其制备方法，该骨科器械材料由可吸收的高分子聚合物、弥散分布在聚合物中用于补强增韧的石墨烯、负载有硒元素的可降解载体材料复合而成，使用过程中可以缓慢地释放出微量硒元素，具有提高免疫力和抗菌消炎的作用，其中，硒元素通过电泳-微弧氧化法与化学浸渍离子交换反应法形成的双重复合负载技术被有效负载在表面含有羟基磷灰石多孔陶瓷层的纯镁或镁合金丝材或板材充当的可降解载体材料上。经过热模压、挤压或拉拔等方法首先制成棒材或板材，再经机械加工成各种可吸收的功能化骨钉、骨板等骨修复、固定器械，应用前景广阔。

Description

能缓释硒元素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生物学效应的可吸收骨科器械及其制备方法，在使用降解过程中可以缓慢释放出微量硒元素，具有提高免疫力和抗菌消炎的功能，属于骨科器械技术领域，具体为一种能缓释硒元素的可吸收骨科器械及其制备方法。 

背景技术

生物可吸收高分子聚合物具有优良的生物相容性和降解性能，其制成的骨科固定器械，与传统的金属骨科器械相比，有以下优点：1）可降解吸收，无需二次手术取出；2）强度可控制到与人体骨接近，应力遮蔽效应较小。但该类骨科器械也存在X光吸收能力弱，显影效果差等缺点。骨科固定器械植入人体前都要进行杀菌、消毒处理，但是在手术和手术后的治愈过程中仍会不可避免地感染细菌，严重的话会引起炎症，使植入器械失效，更重要的是，可吸收骨科器械在降解过程中逐渐释放出的酸性降解产物和颗粒物质都会引起周围机体产生炎症，因此，在骨折愈合的整个过程中，可吸收高分子骨科器械如何有效降低感染细菌的几率是其植入成功的关键要素之一。 

硒元素是人体不可缺少的微量元素，对提高免疫力和预防癌症非常重要。硒元素参与机体抗氧化和能量代谢，产生多方面作用：激活人体自身氧化系统中谷胱甘肽过氧化物酶，控制和消解氧化损伤，防止疾病；保护细胞的完整性；预防癌变；刺激免疫球蛋白及抗体的产生，增强机体对疾病的抵抗力以及抗菌消炎等等。特别是其提高免疫力和消炎作用，可以有效地降低周围组织被细菌感染的几率。 

因此，将硒元素引入目前临床使用的可吸收聚合物骨钉、骨板等中，通过可吸收骨科固定器械使用降解过程中缓释硒元素，可起到提高免疫力和抗菌消炎作用，能有效降低手术感染细菌的几率，从而实现可吸收骨科器械的高性能化、多功能化。 

目前临床使用的可吸收高分子骨科器械不具有抗菌消炎以及显影功能，易导致炎症，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。将硒元素引入该类骨科器械中，通过可吸收骨科固定器械使用降解过程中缓释硒元素，能有效降低手术感染细菌的几率，从而实现可吸收骨科器械的高性能化、多功能化。但由于含硒的盐类或陶瓷颗粒与聚合物浸润性差，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具有提高免疫力和抗菌消炎功能的可吸收骨科器械及其制备方法，即通过选用理想的可降解载体材料和负载技术，将具有提高免疫力和抗菌消炎生物学效应的硒元素有效负载到可吸收高分子聚合物骨科器械内，使得该可吸收高分子聚合物骨科器械在手术植入体内的使用过程中，能通过自身的降解，主动释放出适量的硒元素，达到提高免疫力和抗菌消炎的目的。理想的硒元素载体材料应该自身也具有可降解特性，同时，应尽可能提高硒元素在可吸收高分子聚合物骨科器械内的负载含量，以提升骨科器械的提高免疫力和抗菌消炎性能。因此，本发明解决的关键技术问题还包括了可降解载体材料的选择、能提高硒元素负载量的负载技术、可降解聚合物的补强增韧技术等。 

技术方案：为实现上述目的，本发明一种能缓释硒元素的可吸收骨科器械及其制备方法通过下述技术方案实现： 

所述的骨科器械材料是由可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中用于补强增韧的石墨烯、负载有硒元素的可降解载体材料组成，并经热压力成型制备而成，在使用降解过程中可以缓慢释放出微量硒元素，具有提高免疫力和抗菌消炎的作用，其中，可降解载体材料为表面具有含羟基磷灰石相的多孔陶瓷层的纯镁或镁合金丝材，采用电泳-微弧氧化法与化学浸渍离子交换反应法复合形成的双重负载方法，将硒元素负载在载体材料上，所述可降解载体材料的体积分数为10%～75%，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为1～50μm，层厚为1～100μm，石墨烯的体积百分比为0.01%～5%。 

所述的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。 

本发明的能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料的制备方法具体制备步骤如下： 

1）可降解载体材料的加工：将用作载体材料的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）硒元素的电泳-微弧氧化法初次负载：将亚硒酸钠加入到含有羟基磷灰石纳米粉末的碱性电解液中，对载体材料纯镁或镁合金丝材或板材进行电泳-微弧氧化初次负载硒元素处理，亚硒酸钠的浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L，电泳-微弧氧化电压为100～600V，处理时间为2～60min； 

3）硒元素的化学浸渍离子交换反应二次负载：在步骤2）的基础上，将电泳-微弧氧化表面初次负责硒元素的纯镁或镁合金丝材或板材载体材料再浸渍到浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L的亚硒酸钠或有机硒溶液，恒温水浴温度为4～90℃，浸渍时间为0.5～6小时，通过化学浸渍离子交换反应进行第二次硒元素负载； 

4）骨科器械的成型加工：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硒元素的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有硒元素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、注塑或拉拔等成型方法加工制备成棒材或板材，再经机械加工成所需结构的骨科器械。 

有益效果：本发明的有益效果如下： 

1）该可吸收骨科器械具有提高免疫力和抗菌消炎的功能，通过选用理想的载体材料和负载技术，将具有提高免疫力和抗菌消炎生物学效应的硒元素有效负载到可吸收高分子聚合物骨科器械内，使得该可吸收高分子聚合物骨科器械在手术植入体内的使用过程中，能通过自身的降解，主动释放出适量的硒元素，达到提高免疫力和抗菌消炎的目的，且硒元素被负载在比镁合金降解速度更慢的氧化物陶瓷层中，可提高长效免疫力和抗菌消炎，促进骨折愈合。 

2）使用了特殊的电泳-微弧氧化法与化学浸渍离子交换反应法形成的双重复合负载技术，两种负载方法之间是有关联的，不是简单的组合，可克服单一微弧氧化法或化学转化膜法等存在的硒元素负载含量低的难题，最大可能的提高了硒元素在可吸收高分子聚合物骨科器械内的负载含量，以提升骨科器械的提高免疫力和抗菌消炎性能。一方面，电泳-微弧氧化过程中生成负载硒元素的含羟基磷灰石的氧化陶瓷层，另一方面在后续浸渍过程中，陶瓷层的微孔结构提供高的比表面积，且陶瓷层中的羟基磷灰石发挥离子交换作用交换硒元素，进一步提高硒的负载效果。 

3）具有显影功能。本发明可吸收骨科器械中负载的硒元素具有比高分子聚合物和镁合金更优良的吸收X射线能力，有利于手术后对植入器件的降解吸收行为进行X光定期诊断和监控。 

4）具有良好的生物相容性、可吸收性能和力学性能。本发明可吸收骨科器械所选用的可吸收高分子聚合物和硒元素载体材料均为具有良好生物相容性和可降解性能的生物医用材料，能被生物体降解吸收或者通过循环系统排出体外，而无需二次手术取出，此外，石墨烯和硒元素载体材料—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

所述的骨科器械是由可吸收高分子聚合物、弥散分布在聚合物中用于补强增韧的石墨烯、负载有硒元素的可降解载体材料复合而成，在使用降解过程中可以缓慢释放出微量硒元素，具有提高免疫力和抗菌消炎的作用，其中，硒元素通过电泳-微弧氧化法与化学浸渍离子交换反应法形成的双重复合负载技术被负载在表面含有羟基磷灰石多孔陶瓷层的纯镁或镁合金丝材或板材充当的可降解载体材料上，所述纯镁或镁合金丝材或板材载体材料的体积分数为10%～75%，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为1～50μm，层厚为1～100μm，石墨烯的体积百分比为0.01%～5%，该骨科器械的具体制备步骤如下： 

1）可降解载体材料的加工：将用作载体材料的纯镁或镁合金通过拉拔、轧制或挤压方法制成丝材或板材。由于纯镁或镁合金自身就是一种可降解医用金属，具有良好的生物相容性，是一种理想的硒元素可降解载体材料；同时，将载体材料加工成丝材或板材，能利用丝材或板材的定向增强作用，有效弥补载体材料进入聚合物后可能带来的力学性能的恶化作用，可实现硒元素的有效负载的同时又不降低其力学性能。 

2）硒元素的电泳-微弧氧化法初次负载：将亚硒酸钠加入到含有羟基磷灰石纳米粉末的碱性电解液中，对载体材料纯镁或镁合金丝材或板材进行电泳-微弧氧化初次负载硒元素处理，亚硒酸钠的浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L，电泳-微弧氧化电压为100～600V，氧化时间为2～60min。电解液中的硒酸根离子在微弧氧化的电场作用下，向阳极镁合金载体材料产生电泳运动，在纯镁或镁合金载体材料表面生成含有硒元素的多孔氧化陶瓷层。氧化陶瓷层中的微孔可形成通道作用且能提供高的比表面积，有利于后续浸渍过程中提高负载能力。同时，微弧氧化电解液中还加入了羟基磷灰石纳米粉末，因此，经过该处理后，载体材料表面会形成含有羟基磷灰石的含硒多孔陶瓷层。 

3）硒元素的化学浸渍离子交换反应二次负载：在步骤2）的基础上，将电泳 -微弧氧化表面初次负载硒元素的纯镁或镁合金丝材或板材载体材料再浸渍到浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L的亚硒酸钠或有机硒溶液，恒温水浴温度为4～90℃，浸渍时间为0.5～6小时，通过浸渍离子交换反应进行第二次硒元素负载。羟基磷灰石所具有的特殊晶体结构使得其具有很强的离子交换能力，同时，多孔陶瓷层的孔结构也能进一步提高硒元素的负载量。因此，将步骤2）获得的表面具有羟基磷灰石的含硒元素多孔陶瓷层的载体材料再次浸渍在含有硒元素的溶液中，能充分发挥多孔陶瓷层中微孔的负载能力和羟基磷灰石相的离子交换反应能力，从而显著增加硒元素的饱和度和负载量。 

4）骨科器械的成型加工：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硒元素的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有硒元素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、注塑或拉拔等成型方法加工制备成棒材或板材，再经机械加工成所需结构的骨科器械。石墨烯具有良好的生物相容性和优异的比强度、比刚度，对可降解聚合物有很好的补强增韧作用。 

所述的能缓释硒元素的可吸收骨科器械及其制备方法，其特征在于：所述的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。 

实施例1 

选用的可降解吸收高分子聚合物为聚乳酸。纯镁作为硒元素的负载载体，体积分数为20%，制备过程如下： 

1）将纯镁拉拔成直径为0.3mm的丝材； 

2）对镁丝材表面进行电泳-微弧氧化处理，用10g/L硅酸钠、2g/L NaOH和8g/L羟基磷灰石纳米颗粒、0.01mol/L的亚硒酸钠作为微弧氧化电解液体系，将镁丝材浸于其中，施加400V电压，进行20分钟的电泳-微弧氧化处理，使其表面原位生成一层含硒元素的多孔陶瓷保护层，陶瓷层的平均微孔大小为30μm，平均层厚为90μm； 

3）将微弧氧化后的镁丝材放入浓度为0.01mol/L的亚硒酸钠溶液中浸渍，恒温水浴温度为40℃，化学浸渍离子交换反应时间1小时； 

4）将PLLA聚合物加热至190℃熔融后与上述处理过的镁丝材、石墨烯（体积分数为0.05%）复合，并通过热挤压方法加工制备成棒材，再经机械加工成销、螺丝、骨钉等骨科用固定器件。 

实施例2 

选用可降解吸收高分子聚合物为聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物PGLA。AZ31B镁合金为硒元素负载载体，体积分数为40%，制备过程如下： 

1）将镁合金热轧成厚度为0.4mm的板材； 

2）对镁丝材表面进行电泳-微弧氧化处理，用10g/L硅酸钠、2g/L NaOH和8g/L羟基磷灰石纳米颗粒、0.02mol/L的亚硒酸钠作为微弧氧化电解液体系，将镁合金板材浸于其中，施加380V电压，进行25分钟的电泳-微弧氧化处理，使其表面原位生成含硒元素的多孔陶瓷保护层，陶瓷层的平均微孔大小为30μm，平均层厚为80μm； 

3）将微弧氧化后的镁合金板材放入到浓度为0.01mol/L的亚硒酸钠溶液中浸渍，恒温水浴温度为50℃，化学浸渍离子交换反应时间1小时； 

4）将溶有聚合物PGLA的三氯甲烷溶液与上述处理过的镁合金板材、石墨烯（体积分数为1%）复合，真空干燥后通过热模压方法加工制备成板材，再经机械加工成骨板。 

实施例3 

选用的可降解吸收高分子聚合物为聚乙醇酸（PGA）。ZK21镁合金作为硒元素负载载体，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）对镁合金丝材表面进行电泳-微弧氧化处理，用10g/L硅酸钠、3g/L NaOH和10g/L羟基磷灰石纳米颗粒、0.08mol/L亚硒酸钠作为微弧氧化电解液体系，将镁合金丝材浸于其中，施加380V电压，进行20分钟的电泳-微弧氧化处理，使其表面原位生成含硒元素的多孔陶瓷保护层，陶瓷层的平均微孔大小为25μm，平均层厚为90μm； 

3）将微弧氧化后的镁合金丝材放入浓度为0.008mol/L的亚硒酸钠溶液中浸渍，恒温水浴温度为40℃，化学浸渍离子交换反应时间3小时； 

4）将PGA聚合物加热至180℃熔融后与上述处理过的镁合金丝材、石墨烯（体积分数为4%）复合，通过热拉拔方法加工制备成棒材，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 (3)

1.一种能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料，其特征在于：所述的骨科器械材料是由可吸收高分子聚合物和弥散分布在聚合物中用于补强增韧的石墨烯、负载有硒元素的可降解载体材料组成，并经热压力成型制备而成，在使用降解过程中可以缓慢释放出微量硒元素，具有提高免疫力和抗菌消炎的作用，其中，可降解载体材料为表面具有含羟基磷灰石相的多孔陶瓷层的纯镁或镁合金的丝材或板材，采用电泳-微弧氧化法与化学浸渍离子交换反应法复合形成的双重负载方法，将硒元素负载在载体材料上，所述可降解载体材料的体积分数为10％～75％，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为1～50μm，层厚为1～100μm，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所述的能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料，其特征在于：所述的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。

3.一种如权利要求1所述的能缓释硒元素的可吸收骨科器械材料的制备方法，其特征在于：该骨科器械的具体制备步骤如下：

1)可降解载体材料的加工：将用作载体材料的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)硒元素的电泳-微弧氧化法初次负载：将亚硒酸钠加入到含有羟基磷灰石纳米粉末的碱性电解液中，对载体材料纯镁或镁合金的丝材或板材进行电泳-微弧氧化初次负载硒元素处理，亚硒酸钠的浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L，电泳-微弧氧化电压为100～600V，处理时间为2～60min；

3)硒元素的化学浸渍离子交换反应二次负载：在步骤2)的基础上，将电泳-微弧氧化表面初次负责硒元素的纯镁或镁合金的丝材或板材载体材料再浸渍到浓度为1×10^-5～1×10^-1mol/L的亚硒酸钠或有机硒溶液，恒温水浴温度为4～90℃，浸渍时间为0.5～6小时，通过化学浸渍离子交换反应进行第二次硒元素负载；

4)骨科器械的成型加工：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硒元素的载体材料复合制成预制坯，或先将负载有硒元素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、注塑或拉拔成型方法加工制备成棒材或板材，再经机械加工成所需结构的骨科器械。