CN104232972A - 可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料及其制备方法；所述镁及镁合金生物材料为完全开孔结构，孔型及尺寸可控，孔与孔之间由连通孔相通，且孔壁上的连通孔的数量及大小可控；该材料孔隙整体均匀分布，孔隙率可调。制备时，将氯化钠晶体颗粒进行烧结，得到开孔多孔氯化钠预制结构；将镁或镁合金熔液浇入放有氯化钠预制体的模腔，进行压力渗流铸造；除去含有氯化钠预制体的镁或镁合金块体外表皮，碱洗，滤除氯化钠，即得。本发明制备工艺简单，操作方便，无污染，制得的开孔多孔结构孔隙贯通分布均匀，孔隙形貌及尺寸可控，且孔隙率以及强度较高，无造孔剂残留和闭孔现象，同时降解速率可调，可作为新一代可降解骨组织工程支架。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料制备技术领域，涉及到开孔多孔材料设计方法，涉及一种用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料及其制备方法。
背景技术
在生物医用金属材料中，镁及镁合金凭借其优良的综合性能，具有生物材料所具有的良好力学性能、生物相容性和可体内降解性能，被认为是目前最有吸引力的生物材料之一，是骨内植物、血管支架、齿科矫形植入体的首选材料。而具有三维贯通网络结构的多孔生物材料，能够有效诱导骨组织及人体组织的生长和再生融入的特性，使骨植入体不发生松动和脱落，并且还具有体液运输的特征，同时通过对多孔材料的孔隙控制可以调整植入体的力学性能，使其与自体骨力学性能匹配(文献：Scott J.Hollister，Porous scaffold design for tissue engineering，NatureMaterials(2005)4：518-524)。
目前，多数研究人员采用粉末烧结的方式制备多孔镁及镁合金，为了提高孔隙率和渗透性，往往会在金属粉末中加入某种造孔剂，例如NH4HCO3、CO(NH2)2、SiN、硬脂酸和甲基纤维素等。但是在粉末烧结过程中由于多数造孔剂本身的颗粒形貌并不均匀，颗粒之间也不能建立有效的融合接触点，因此不能保证孔型的均匀性和孔隙的连通性能(C.E.Wen，et al，Processing of biocompatible porous Ti and Mg，ScriptaMaterilia45(2011)1147-1153)。因此，需要一种新的造孔剂以及一种新的多孔结构制备方法，彻底解决目前在多孔结构制备中存在的问题，实现孔隙分布均匀，孔型及孔径尺寸可控，同时具有连通孔的开孔多孔生物材料。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料及其制备方法。该可降解开孔多孔镁及镁合金材料为可降解开孔多孔镁或可降解开孔多孔镁合金。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明涉及一种可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料，所述开孔多孔镁及镁合金生物材料为完全开孔结构，孔型及尺寸可控，孔与孔之间由连通孔相通，且孔壁上的连通孔的数量及大小可控；所述开孔多孔镁及镁合金材料孔隙整体均匀分布，孔隙率可调。
优选的，所述开孔多孔镁及镁合金材料的直径为3～200mm，高度为3～200mm；压缩强度为3～60MPa。更优选压缩强度为7～35MPa。
优选的，所述孔型为球形、立方形或不规则形，孔径为100～1000μm，孔隙率为50～90％。
优选的，所述连通孔孔径为30～400μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为3～10个。
第二方面，本发明还涉及前述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将氯化钠晶体颗粒进行烧结，得到开孔多孔氯化钠预制块体；
步骤2，将镁或镁合金熔液浇注入放有氯化钠预制体的模腔，进行压力渗流铸造；
步骤3，除去含有氯化钠预制体的镁或镁合金块体外表皮，碱洗，滤除氯化钠，即得所述可降解开孔多孔镁或镁合金材料。
优选的，步骤1中，所述氯化钠晶体颗粒选自球形、立方形或不规则形，氯化钠晶体颗粒尺寸为100～1000μm；所述烧结温度为650～790℃，烧结时间为0.5～24h；所述开孔多孔氯化钠预制块体的直径为3～200mm，高度为3～200mm。如果氯化钠颗粒尺寸小于100μm时，在对不规则形氯化钠颗粒进行烧结后将不能保证得到完全开孔结构的预制体，同时当烧结温度低于650℃或烧结时间少于0.5h时将不能保证氯化钠颗粒之间产生有效的融合部分来保证开孔连通结构。另外，当温度高于790℃或烧结时间超过24h时，将导致氯化钠颗粒之间的过分融合，不利于液态金属的渗流并且最终也会降低开孔多孔金属结构的力学强度。
优选的，所述开孔多孔镁及镁合金成分为镁70～100wt.％，锌0～30wt.％，钕0～5wt.％，钇0～1wt.％，锆0～1wt.％，钙0～1wt.％，所述压力渗流铸造采用的渗流压力为0.1～10MPa。
优选的，步骤3中，所述碱洗具体为：在碱溶液中超声清洗5～30min，用醇类溶液作为缓冲液，缓冲清洗时间为5～30min；所述碱洗次数为2～10次。如不采用醇类作为缓冲液将导致多孔结构的孔壁在碱液中发生严重腐蚀，破坏多孔结构的完整性。碱洗次数少于2次或时间少于5min将不能保证NaCl完全滤除。
优选的，所述碱溶液包括如下含量的组分：丙三醇，1mol/L氢氧化钠溶液，比例为1∶1。如氢氧化钠浓度低于1mol/L将不能有效抑制Cl-对镁基体的腐蚀，丙三醇的等量加入可提高NaCl在碱洗中的溶解度，充当部分溶剂的作用，在缓解水溶液对孔壁的腐蚀同时提高对NaCl的滤除效率。
第三方面，本发明还涉及一种前述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料在制备骨组织工程支架中的用途。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明制备工艺简单，操作方便，无污染，按该方法制得的开孔多孔结构孔隙贯通分布均匀，尺寸可控，且孔隙率高，无闭孔和造孔剂残留现象。
(2)本发明采用氯化钠晶体颗粒作为开孔多孔镁及镁合金的造孔介质，通过对其颗粒的高温烧结实现颗粒之间部分融合，获得三维贯通结构的开孔多孔氯化钠预制体，在采用加压渗流的方式保证液态金属完全填充开孔多孔氯化钠预制体后，该预制体的结构特征就直接成为了开孔多孔镁及镁合金的孔隙特征。
(3)本发明可以通过选取不同形貌和尺寸的氯化钠晶体颗粒以及采用不同的烧结温度和时间来控制开孔多孔氯化钠预制体的孔隙特征，最终获得孔型及尺寸可控，孔与孔之间由连通孔相通，且孔壁上的连通孔的数量及大小可控，结构整体孔隙均匀分布，孔隙率可调的开孔多孔镁及镁合金材料。
(4)本发明采用丙三醇与氢氧化钠溶液的混合液作为氯化钠晶体颗粒的滤除碱液，以醇类溶液作为缓冲液，可以显著减缓氯离子对镁基体金属的腐蚀，很好地保护开孔多孔镁及镁合金结构的完整性。
(5)本发明用于骨组织工程支架领域的开孔多孔材质生物相容性优良，多孔结构的力学性能与骨组织相匹配，并且开孔结构有利于缺损组织与周围组织的营养交换，同时可以促进血管的长入以及骨组织的生长。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1(a)为可降解开孔多孔镁及镁合金骨组织工程支架的三维结构示意图；图1(b)为实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以进行若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种用于骨组织工程支架领域的可降解开孔多孔镁合金，直径为55mm，高度为50mm，孔型为球形，孔径为500～600μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为5～10个，连通孔孔径为150μm，孔隙率为90％。其结构如图1所示，(a)图为可降解开孔多孔镁及镁合金骨组织工程支架的三维结构示意图，该图准确地反映了本发明中所描述的孔隙特征，例如，球形的孔型以及连通孔的孔型及它们的分布特征；(b)图为对应的实物图，从实物图中可见球形的孔型以及分布在孔壁上的连通孔的孔型及它们的分布特征与示意图(a)中的描述保持一致。
本实施例涉及前述的用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将尺寸为500～600μm球形氯化钠晶体颗粒放入内径为55mm，高50mm的模具内在720℃下恒温烧结8h，随炉冷却得到开孔多孔氯化钠预制体；
步骤2，将Mg-5wt.％Zn-0.5wt.％Ca合金熔液浇入放有开孔多孔氯化钠预制体的模腔，在压力为1.3MPa下进行压力渗流铸造；
步骤3，利用车床将含有氯化钠预制体的镁合金块体外表皮除去，放入超声清洗机中碱洗，碱洗液包括如下含量的各组分：丙三醇250ml，1mol/L氢氧化钠溶液250ml，每次清洗15min，以甲醇做缓冲液，缓冲清洗15min，连续换液碱洗5～7次即可得到用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金。其压缩强度为7MPa。
实施例2
本实施例涉及一种用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁合金，直径为100mm，高度为100mm，孔型为立方形，孔径为900～1000μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为3～5个，连通孔孔径为400μm，孔隙率为85％。
本实施例涉及前述的用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将尺寸为900～1000μm立方形氯化钠晶体颗粒放入内径为100mm，高100mm的模具内在790℃下恒温烧结24h，随炉冷却得到开孔多孔氯化钠预制体；
步骤2，将Mg-3wt.％Nd-0.2wt.％Zn-0.5wt.％Zr-0.5wt.％Ca合金熔液浇入放有开孔多孔氯化钠预制体的模腔，在压力为10MPa下进行压力渗流铸造；
步骤3，利用车床将含有氯化钠预制体的镁合金块体外表皮除去，放入超声清洗机中碱洗，碱洗液包括如下含量的各组分：丙三醇800ml，1mol/L氢氧化钠溶液800ml，每次清洗20min，以无水乙醇做缓冲液，缓冲清洗时间20min，连续换液碱洗6～8次即可得到用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金。其压缩强度为13MPa。
实施例3
本实施例涉及一种用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁合金，直径为200mm，高度为200mm，孔型为球形，孔径700～750μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为6～10个，连通孔孔径为250μm，孔隙率为75％。
本实施例涉及前述的用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将尺寸为700～750μm球形氯化钠晶体颗粒放入内径为200mm，高200mm的模具内在700℃下恒温烧结10h，随炉冷却得到开孔多孔氯化钠预制体；
步骤2，将Mg-1wt.％Y-0.5wt.％Ca合金熔液浇入放有开孔多孔氯化钠预制体的模腔，在压力为3MPa下进行压力渗流铸造；
步骤3，利用车床将含有氯化钠预制体的镁合金块体外表皮除去，放入超声清洗机中碱洗，碱洗液包括如下含量的各组分：丙三醇1000ml，1mol/L氢氧化钠溶液1000ml，每次清洗30min，以丙醇做缓冲液，缓冲清洗30min，连续换液碱洗7～10次即可得到用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金。其压缩强度为20MPa。
实施例4
本实施例涉及一种用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁，直径为3mm，高度为3mm，孔型为不规则形，孔径为100～200μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为3～4个，连通孔为30μm，孔隙率为50％。
本实施例涉及前述的用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁及镁合金制备方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将尺寸为100～200μm不规则形氯化钠晶体颗粒放入内径为3mm，高3mm的模具内在650℃下恒温烧结0.5h，随炉冷却得到开孔多孔氯化钠预制体；
步骤2，将纯镁金属熔液浇入放有开孔多孔氯化钠预制体的模腔，在压力为0.1MPa下进行压力渗流铸造；
步骤3，利用车床将含有氯化钠预制体的镁合金块体外表皮除去，放入超声清洗机中碱洗，碱洗液包括如下含量的各组分：丙三醇50ml，1mol/L氢氧化钠溶液50ml，每次清洗5min，以乙醇和丙醇的混合液做缓冲液，缓冲清洗5min，连续换液碱洗2～3次即可得到用于骨组织工程支架的可降解开孔多孔镁，其压缩强度为35MPa。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料，其特征在于，所述开孔多孔镁及镁合金生物材料为完全开孔结构，孔型及尺寸可控，孔与孔之间由连通孔相通，且孔壁上的连通孔的数量及大小可控；所述开孔多孔镁及镁合金材料孔隙整体均匀分布，孔隙率可调。
2.如权利要求1所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料，其特征在于，所述开孔多孔镁及镁合金生物材料的直径为3～200mm，高度为3～200mm。
3.如权利要求1所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料，其特征在于，所述孔型为球形、立方形或不规则形，孔径为100～1000μm，孔隙率为50～90％。
4.如权利要求1所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料，其特征在于，所述连通孔孔径为30～400μm，单个孔腔内壁所含连通孔数量为3～10个。
5.一种如权利要求1～4中任一项所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，将氯化钠晶体颗粒进行烧结，得到开孔多孔氯化钠预制块体；
步骤2，将镁或镁合金熔液浇注入放有氯化钠预制体的模腔，进行压力渗流铸造；
步骤3，除去含有氯化钠预制体的镁或镁合金块体外表皮，碱洗，滤除氯化钠，即得所述可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料。
6.如权利要求5所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述氯化钠晶体颗粒选自球形、立方形或不规则形，氯化钠晶体颗粒尺寸为100～1000μm；所述烧结温度为650～790℃，烧结时间为0.5～24h；所述开孔多孔氯化钠预制块体的直径为3～200mm，高度为3～200mm。
7.如权利要求5所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，其特征在于，所述开孔多孔镁及镁合金成分为：镁70～100wt.％，锌0～30wt.％，钕0～5wt.％，钇0～1wt.％，锆0～1wt.％，钙0～1wt.％；所述压力渗流铸造采用的渗流压力为0.1～10MPa。
8.如权利要求5所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述碱洗具体为：在碱溶液中超声清洗5～30min，用醇类溶液作为缓冲液，缓冲清洗时间为5～30min；所述碱洗次数为2～10次。
9.如权利要求8所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料的制备方法，其特征在于，所述碱溶液包括如下含量的组分：丙三醇，1mol/L氢氧化钠溶液，体积比为1∶1。
10.一种如权利要求1～4中任一项所述的可降解开孔多孔镁及镁合金生物材料在制备骨组织工程支架中的用途。
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