CN105363068A

CN105363068A - 一种可控降解的镁基金属材料

Info

Publication number: CN105363068A
Application number: CN201510603169.0A
Authority: CN
Inventors: 唐靖岚
Original assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Wuxi Qingyang Machinery Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-09-21
Filing date: 2015-09-21
Publication date: 2016-03-02

Abstract

本发明提供了一种可控降解的镁基金属材料，该可控降解的镁基金属材料表面涂覆有单宁酸改性的生物活性玻璃成分，其中单宁酸改性的生物活性玻璃成分是纳米生物活性玻璃颗粒通过接枝单宁酸形成，通过控制改性生物活性玻璃成分中接枝单宁酸的用量、添加氨基结构化合物及单宁酸改性的生物活性玻璃的涂覆厚度，可以有效的控制镁基金属材料的降解时间。

Description

一种可控降解的镁基金属材料

技术领域

本发明属于医用生物材料领域，涉及一种可控降解的镁基金属材料，本发明可控降解的镁基金属材料表面涂覆有单宁酸改性的生物活性玻璃成分，其中单宁酸改性的生物活性玻璃成分是纳米生物活性玻璃颗粒通过接枝单宁酸形成，通过控制单宁酸的用量、添加氨基结构化合物及单宁酸改性的生物活性玻璃的涂覆厚度，可以有效的控制镁基金属材料的降解时间和抗腐蚀性能。

背景技术

镁是人体代谢必需的元素，在人体内的含量仅次于钾、钠、钙，骨组织中大约占体内所有镁的一半。研究认为镁是许多酶的辅助因子，具有稳定DNA和RNA结构；在体内镁通过肾脏和肠道保持在0.7和1.05mmo1/L之间；镁可刺激新骨生长，组织相容性好。镁的主要缺点是低耐蚀性，在pH(7.4-7.6)的生理环境中，镁具有很强的还原作用从而在组织充分愈合前丢失力学完整性，并产生机体无法及时吸收的氢气。早期应用于人体中的镁基材料植入体内后产生大量的气体导致镁无法应用于人体，所以制备可控降解的镁基合金，使镁降解过程中产生的氢气被组织液代谢掉具有非常现实的意义。

生理环境下镁快速腐蚀是作为于骨科植入的最大限制，为此，研究者们通过各种方法对镁进行表面改性，以期得到可控降解的镁合金材料；也有的研究者在镁中添加Zn、Ca等金属成分，期望能得到加工和降解性能更好的镁合金材料。

生物活性玻璃(BAG)是一种质硬、固态透明的生物活性材料。它由SiO₂、Na₂O、CaO、和P₂O₅等物质组成。生物活性玻璃的主要成分是硅酸盐，植入体内后其表面可形成一种高反应性的富硅凝胶层。它具有良好的生物相容性和力学性能，其特点是具有迅速的成骨作用，多数生物活性玻璃是A类生物活性材料，既有骨生成性(osteoproductive)，又有骨引导(osteoconductive)，与骨和软组织都有良好的结合性。因此，BAG被认为是可应用在修复领域的良好生物材料。

BAG与生理溶液接触后，其中的Na等离子与溶液中的H+迅速交换，导致局部环境pH值升高；SiO₂以Si(OH)₄的形式溶于溶液中，在界面处形成Si-OH，并在粒子表面形成富含硅溶胶的凝胶层。该层为钙磷的沉积提供了场所。开始钙磷层呈无定形状态，随着厚度和结晶尺寸的增加而转变成为羟基磷灰石(HA)晶体，其表面反应释放的可溶性硅、钙、磷和钠离子，可以增强材料界面细胞的胞内和胞外反应，促进成骨细胞或其前体的增殖和分化，调节成骨基因的表达以及生长因子的产生，因此，BAG具有很强的生物诱导活性，其诱导成骨的能力优于HA。由于BAG表面存在大量的硅羟基，因此可将其作为改性的桥梁，将改性分子引入到其表面，从而改善其界面相容性。金属镁和聚乳酸等可降解材料复合制备医用植入材料的研究得到了广泛的报道，研究镁基合金表面涂覆不同厚度的聚乳酸材料，实验发现，聚乳酸直接涂覆的厚度与镁丝的降解之间没有出现线性关系，其中有一组材料中涂覆后的反而比涂覆薄的，其中的高纯镁丝降解的更快，可能是聚乳酸涂层越厚，降解过程中形成的酸性环境使包覆在内部的镁降解的速度越快，因此很难制备出可控降解的镁基合金聚乳酸医用材料。

将改性生物活性玻璃均匀涂覆在高纯镁的表面，改性生物活性玻璃不但可降低聚乳酸降解形成的酸性环境，而且可以通过控制改性生物活性玻璃接枝聚乳酸的分子量以及涂层的厚度，可以有效的控制镁丝的降解时间；改性生物活性玻璃，还可以作为一种新型成核剂，在可吸收骨科植入材料加工过程中能提高聚乳酸材料的结晶度，从而提高材料的机械强度。专利CN104415403A公开了一种可控降解的镁基金属材料，该可控降解的镁基金属材料表面涂覆有改性生物活性玻璃成分，其中改性生物活性玻璃成分是纳米生物活性玻璃颗粒通过接枝聚乳酸形成，通过控制改性生物活性玻璃成分中接枝聚乳酸的分子量以及添加的高分子材料的种类及涂覆厚度，可以有效的控制镁基金属材料的降解时间。虽然其所制备的镁基金属材料的降解时间得以延长，但是还未能达到理想水平。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种可控降解的镁基金属材料，其中该镁基金属材料表面涂覆有单宁酸改性的生物活性玻璃成分，单宁酸改性的生物活性玻璃成分是纳米生物活性玻璃颗粒通过接枝单宁酸形成，控制改性生物活性玻璃成分中接枝单宁酸的用量、添加氨基结构化合物及单宁酸改性的生物活性玻璃的涂层厚度，可以控制镁基金属材料的降解时间，其中改性生物活性玻璃成分中单宁酸在材料中的质量分数为含量范围为30-50％，例如30％、35％、40％、45％或50％等；优选改性生物活性玻璃成分中单宁酸在材料中的质量分数为含量范围为35-40％。

其中，本发明中将具有酚羟基结构的单宁酸接枝到生物活性玻璃上，不仅可以引入有效官能团，同时单宁酸可以与金属离子发生反应，形成稳定的络合物，覆盖在金属表面，起到屏蔽和钝化作用，进而延长降解时间。

本发明中，所述氨基结构化合物为精氨酸、赖氨酸、丁二胺、己二胺或胱氨酸中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：精氨酸和赖氨酸的组合，赖氨酸和丁二胺的组合，己二胺和胱氨酸的组合，精氨酸、赖氨酸、丁二胺、己二胺和胱氨酸的组合等。本发明所添加的氨基结构化合物可以与单宁酸和生物活性玻璃发生反应，形成交联聚合涂层。

本发明中，所述氨基结构化合物为精氨酸和赖氨酸的组合物。

本发明中，上述可控降解的镁基金属材料，该材料的准备方法如下：

A、采用文献公开的溶胶凝胶技术(具体见实施例)制备富含SiO₂的纳米生物活性玻璃颗粒，其中纳米生物活性玻璃中SiO₂质量百分比范围为35％-60％，其它成分分别为Na₂O、CaO与P₂O₅，优选比例为：SiO₂-45.0％；Na₂O-24.5％；CaO-24.5％；P₂O₅-6.0％；

B、将干燥的纳米生物玻璃颗粒放入圆底烧瓶中，分散在无水甲苯溶液中，在氮气保护下加入单宁酸，开环聚合，反应30-40h，例如30h、32h、34h、36h、38h或40h等，反应产物用有机溶剂洗涤多次，得到接枝单宁酸的生物玻璃；

C、将接枝单宁酸的生物玻璃与氨基结构化合物用溶剂溶解混合均匀制成复合材料；

D、将镁基金属材料表面打磨清洗后，采用文献公开的溶胶-凝胶法将本发明C步骤制备的复合材料均匀喷涂在镁基金属材料表面，喷涂的厚度根据产品的降解要求决定，挥干溶剂即得本发明权利要求1所述的可控降解的镁基金属材料；

E、将本发明D步骤得到的可控降解的镁基金属材料，采用不同的模具成型及加工技术可以制造成腔道支架、骨钉、骨板和骨粒。

本发明制备涂层的方法选择了溶胶-凝胶法，该方法是将涂层配料制成溶胶，使之均匀覆盖于基体的表面，由于溶剂迅速挥发，配料发生缩聚反应而胶化，再经干燥和热处理，即可获得涂层。与等离子喷涂技术相比，用溶胶-凝胶法制备生物陶瓷薄膜具有以下优点：

(1)制备温度低，从而避免了高温分解和热应力过大；

(2)虽然溶胶凝胶法的产物可以是无定形，也可以是结晶态，但由于反应在原子、分子水平上进行，因此可在最大程度上提高其化学各向同性；

(3)材料制备过程易于控制，产物纯度高；

(4)可以在形态复杂的种植体表面形成均匀的涂层；

(5)涂层厚度薄且可以控制，可以形成数微米厚的涂层，几乎不改变原种植体表面形态，为保证改性生物玻璃不发生分解，本发明采用该方法完成喷涂。

本发明中，所述镁基金属包括纯镁及镁基合金，其中镁基合金为纯镁中添加铁、钙、锌、铜和钴中任意一种或至少两种的组合，纯镁中镁的含量大于99％，镁基合金中镁的纯度大于95.0％。

本发明中，所述镁基金属形状可以是带状、丝状或粉末状。

优选地，所述镁基金属为镁丝、镁带或镁粉粒中任意一种，根据实际需要其镁丝直径或镁带的厚度范围为0.1-2.0mm，镁粉粒度范围为80-1000目。

本发明可控降解的镁基金属材料，可以制造成腔道支架、骨钉、骨板和骨粒，应用于腔道支撑、骨创伤外科、骨缺损修复材料、整形美容。

本发明提到的有机溶剂选自常见可溶解塑料(PVC、PC、PE、ABS、PET、PP)的溶剂，包括：苯、甲苯、对二甲苯、三氯苯、丙酮、乙醚、癸烷、十氢化萘、低级醇、乙酸异戊酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、丙醇、己烷、苯、四氧化碳、甲醇、苯乙烯、二氯甲烷、三氯甲烷、乙酸丁酯、二硫化碳、低级醇、环己酮、甲酮、二甲基甲酰胺、庚烷、二甲氨基甲酰胺、四氢呋喃、石油醚、二甲亚砜、对苯二甲酸乙二醇酯、间甲酚、邻氯酚、硝基苯等，优选低毒溶剂，比如：甲苯、对二甲苯、癸烷、乙酸异戊酯、己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、环己酮、甲酮、二甲基甲酰胺、庚烷、二甲氨基甲酰胺、四氢呋喃、石油醚、二甲亚砜、对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或两种，更优选甲苯和三氯甲烷。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明中将具有酚羟基结构的单宁酸接枝到生物活性玻璃上，不仅可以引入有效官能团，同时单宁酸可以与金属离子发生螯合作用，形成稳定的络合物，覆盖在金属表面，起到屏蔽和钝化作用；同时，本发明所添加的氨基结构化合物可以与单宁酸和生物活性玻璃发生反应，形成交联聚合涂层，使最终制得的镁基金属材料的开始降解时间从原来的5～6个月提高到12个月以上，完全降解时间延长至24个月。

具体实施方式

为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

具体实施例1：

制备富含SiO2的纳米生物活性玻璃颗粒

取正硅酸乙酯10g、磷酸三乙酯0.85g、碳酸氢钙0.8g、四水硝酸该8.0g，柠檬酸0.8克分散于圆底烧瓶中的无水乙醇中，室温搅拌3h后置于60度密封陈化24h，取出后转移至干锅内37度干燥24h，再放于马夫炉中600度煅烧2h，取出后用球磨机研磨成40-100nm，即得纳米生物活性玻璃5.8g。

具体实施例2：

纳米生物活性玻璃颗粒接枝单宁酸。

取实施例一中得到的纳米生物玻璃颗粒5g，干燥，放入圆底烧瓶中，分散在无水甲苯溶液中，在氮气保护下加入材料质量37％的单宁酸开环聚合，反应35h，反应产物用有机溶剂洗涤多次，得到接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒。

然后将接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒与精氨酸和赖氨酸的组合物(其中，精氨酸和赖氨酸的组合物为材料质量的15％)用二氯甲烷溶解混合均匀制得镁基金属材料。

具体实施例3：

纳米生物活性玻璃颗粒接枝单宁酸。

按照实施例一中的方法制得纳米生物玻璃颗粒5g，干燥放入圆底烧瓶中，分散在无水甲苯溶液中，在氮气保护下加入材料质量35％的单宁酸开环聚合，反应40h，反应产物用有机溶剂洗涤多次，得到接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒。

然后将接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒与精氨酸(其中，精氨酸为材料质量的10％)用二氯甲烷溶解混合均匀制得镁基金属材料。

具体实施例4：

纳米生物活性玻璃颗粒接枝单宁酸。

按照实施例一中的方法制得纳米生物玻璃颗粒5g，干燥放入圆底烧瓶中，分散在无水甲苯溶液中，在氮气保护下加入材料质量40％的单宁酸开环聚合，反应30h，反应产物用有机溶剂洗涤多次，得到接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒。

然后将接枝单宁酸纳米生物活性玻璃颗粒与丁二胺(其中，丁二胺为材料质量的20％)用二氯甲烷溶解混合均匀制得镁基金属材料。

具体实施例5：

除单宁酸的用量为材料质量的30％，其他步骤均与实施例1中相同，制得镁基金属材料。

具体实施例6：

除单宁酸的用量为材料质量的50％，其他步骤均与实施例1中相同，制得镁基金属材料。

对比例1：

专利CN104415403A中的具体实施例2，制得镁基金属材料。

对比例2：

除了纳米生物活性玻璃颗不接枝单宁酸外，其他步骤均与实施例1中相同，制得镁基金属材料。

对比例3：

除了不添加氨基化合物外，其他步骤均与实施例1中相同，制得镁基金属材料。

取实施例2-5和对比例1-3中复合材料溶解于无水吡啶中成流动的凝胶溶液，采用真空镀膜设备在镁基金属材料表面均匀涂覆，涂覆的厚度根据产品的降解要求决定，挥干溶剂即得本发明所述的可控降解的镁基金属材料，然后对所得镁基金属材料进行降解性能测试，测试结果如表1所示。

表1：具体实施例2-5和对比例1-3降解性能测试表

综合具体实施例2-5和对比例1-3的结果可以看出，本发明中将具有酚羟基结构的单宁酸接枝到生物活性玻璃上，不仅可以引入有效官能团，同时单宁酸可以与金属离子发生螯合作用，形成稳定的络合物，覆盖在金属表面，起到屏蔽和钝化作用；同时，本发明所添加的氨基结构化合物可以与单宁酸和生物活性玻璃发生反应，形成交联聚合涂层，使最终制得的镁基金属材料的开始降解时间从原来的5～6个月提高到12个月以上，完全降解时间延长至24个月。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种可控降解的镁基金属材料，其特征在于，该镁基金属材料表面涂覆有单宁酸改性的生物活性玻璃成分，其中单宁酸改性的生物活性玻璃成分是纳米生物活性玻璃颗粒通过接枝单宁酸形成，控制改性生物活性玻璃成分中接枝单宁酸的用量、添加氨基结构化合物及单宁酸改性的生物活性玻璃的涂层厚度，控制镁基金属材料的降解时间，其中改性生物活性玻璃成分中单宁酸在材料中的质量分数范围为30-50％。

2.根据权利要求1所述的镁基金属材料，其特征在于，单宁酸改性生物活性玻璃成分中单宁酸在材料中的质量分数范围为35-40％。

3.根据权利要求1或2所述的可控降解的镁基金属材料，其特征在于，所述氨基结构化合物为精氨酸、赖氨酸、丁二胺、己二胺或胱氨酸中任意一种或至少两种的组合。

4.根据权利要求1-3任一项所述的可控降解的镁基金属材料，其特征在于，所述氨基结构化合物为精氨酸和赖氨酸的组合物；

优选地，所述氨基结构化合物在材料中的质量分数范围为10-20％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的可控降解的镁基金属材料的制备方法，其特征在于，该材料的制备方法如下：

A、采用溶胶凝胶技术制备富含SiO₂的纳米生物活性玻璃颗粒，其中纳米生物活性玻璃中SiO₂重量百分比范围为35-60％，其它成分分别为Na₂O、CaO与P₂O₅；

B、将干燥的纳米生物玻璃颗粒放入圆底烧瓶中，分散在无水甲苯溶液中，在氮气保护下加入单宁酸，开环聚合，反应30-40h，反应产物用有机溶剂洗涤多次，得到接枝单宁酸的生物玻璃；

D、将镁基金属材料表面打磨清洗后，采用溶胶-凝胶法将本发明C步骤制备的复合材料均匀喷涂在镁基金属材料表面，喷涂的厚度取决于产品的降解要求，挥干溶剂即得本发明权利要求1所述的可控降解的镁基金属材料；

6.根据权利要求1-4任一项所述的可控降解的镁基金属材料，其特征在于，所述镁基金属包括纯镁及镁基合金，其中镁基合金为高纯镁中添加铁、钙、锌、铜或钴任意一种或至少两种的组合，纯镁中镁的含量大于99％，镁基合金中镁的纯度大于95.0％。

7.根据权利要求1-4任一项所述的可控降解的镁基金属材料，其特征在于，所述镁基金属形状可以是带状、丝状或粉末状；

优选地，所述镁基金属为镁丝、镁带或镁粉粒中任意一种，镁丝直径或镁带的厚度范围为0.1-2.0mm，镁粉粒度范围为80-1000目。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，有机溶剂选自甲苯、对二甲苯、癸烷、乙酸异戊酯、己烷、苯、二氯甲烷、三氯甲烷、环己酮、甲酮、二甲基甲酰胺、庚烷、二甲氨基甲酰胺、四氢呋喃、石油醚、二甲亚砜或对苯二甲酸乙二醇酯中任意一种或至少两种的组合。

9.根据权利1-4所述的可控降解的镁基金属材料，其特征在于，所述镁基金属材料可以制成腔道支架、骨钉、骨板和骨粒，应用于腔道支撑、骨创伤外科、骨缺损修复材料和整形美容。