CN105925847A - 一种新型生物可降解锌基金属材料及采用该材料获得的输尿管扩张支架 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医用植入材料领域，具体涉及一种新型生物可降解锌基金属材料及采用该材料获得的输尿管扩张支架。所述锌基金属材料由锌和/或锌合金组成，其中，锌合金为Zn与下列一种或多种元素的合金：Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li、Mn、La、Ce、Pr、Sm、Tb、Ho、Tm、Yb、Lu。该生物可降解锌基金属材料具有良好的生物相容性、可降解性和力学性能，具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明属于医用植入材料领域，具体涉及一种新型生物可降解锌基金属材料及采用该材料获得的输尿管扩张支架。
背景技术
在泌尿外科的实践中，输尿管扩张支架是常用的医疗器械，其主要用来治疗或减轻输尿管梗阻症状，包括尿石症、输尿管狭窄、输尿管梗阻、肾盂输尿管连接处梗阻及腹膜后肿瘤或纤维化等。临床上主要将其置于梗阻或狭窄的输尿管处，从而将梗阻或狭窄处撑开，使尿液顺利流入膀胱，在减少肾或输尿管瘘的同时，促进输尿管吻合口的愈合。
目前临床上常用的输尿管扩张支架按照材质主要分为金属与高分子两大类；按照材料是否可以被吸收分解可以分为可降解支架与不可降解支架。金属材质的输尿管支架主要材质为NiTi形状记忆合金、不锈钢和镁合金。目前临床上使用的NiTi合金支架和不锈钢支架属于不可降解支架，长期植入过程中支架与人体会发生排斥反应，会造成感染、炎症等诸多问题，因此必须通过二次手术定期更换，给病人带来诸多痛苦。
使用生物可降解的材料制备输尿管扩张支架能够避免二次手术。目前用于制作生物可降解输尿管扩张支架的材料主要为生物可降解高分子材料和生物可降解镁基金属材料，但是前者的力学性能较差，同时其降解产物容易引发炎症，导致输尿管内壁组织愈合缓慢；后者在输尿管酸性环境下腐蚀速率太快，导致在人体内过早降解，难以满足输尿管扩张支架的要求。亟需开发一种治疗或减轻输尿管梗阻症状的支架，这种支架需要具有足够的力学性能，在输尿管酸性环境下腐蚀速率较低，且其降解产物不会引发炎症或抑制输尿管内壁组织愈合。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型生物可降解锌基金属材料及采用该材料获得的输尿管扩张支架，具有足够的力学性能，进一步在输尿管酸性环境下腐蚀速率较低，且其降解产物不会引发炎症或抑制输尿管内壁组织愈合。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，所述锌基金属材料由锌或锌合金组成，其中，锌合金为Zn与下列一种或多种元素的合金：Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li、Mn、La、Ce、Pr、Sm、Tb、Ho、Tm、Yb、Lu。
所述材料组成及其质量分数可根据输尿管扩张支架的服役要求进行调整，服役要求包括力学性能要求、降解要求、生物相容性要求。
支架材料组成及质量分数调整包括提高支架材料中Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Mn、La元素的含量可以提高支架材料的强度，使支架材料的抗拉强度提高为360-400MPa；提高支架材料中Al、Y、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li元素的含量可以提高支架材料的塑性，使支架材料的室温延伸率提高至30-50%；提高支架材料中Gd、Nd、Dy、Er、La元素的含量可以提高支架材料的耐蚀性能，使支架材料在模拟尿液中的腐蚀速率控制为0.1-0.5mm/年，降解时间控制为0.5-1.5年；提高材料中Cu、Ag元素的含量可以提高支架材料的抗菌性能，提高支架的生物相容性。
优选的，所述锌合金的质量百分组成如下：Mg 0~10.0%，Al 0~50.0%，Ti 0~10.0%，Cu 0-12.0%，Ag 0-10.0%，Si 0-12.0%，Ca 0~10.0%，Sr 0~12.0%，Y 0~10.0%，Zr 0~5%，Sc 0~15%，Gd 0~15.0%，Nd 0~10.0%，Dy 0~15.0%，Er 0~15.0%，Li 0~10.0%，Mn 0~10.0%，La 0~10.0%，Ce 0~8.0%、Pr 0~5.0%、Sm 0~5.0%、Tb 0~15.0%、Ho 0~12.0%、Tm 0~15.0%、Yb 0~12.0%、Lu 0~15.0%且不同时为0，余量为Zn。
更为优选的，所述锌合金的质量百分组成如下：Mg 0~3.0%，Al 0~10.0%，Ti 0~2.0%，Cu 0-6.0%，Ag 0-2.0%，Si 0-2.0%，Ca 0~4.0%，Sr 0~2.0%，Y 0~5.0%，Zr 0~2%，Sc 0~5%，Gd 0~10.0%，Nd 0~6.0%，Dy 0~10.0%，Er 0~10.0%，Li 0~6.0%，Mn 0~2.0%，La 0~8.0%，余量为Zn。
进一步，所述扩张支架的表层成分与芯部成分相同或不同；其中芯部优先选用含有Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li、Mn、La元素的锌合金；表层材料选用纯锌或含有Gd、Nd、Dy、Er、La、Cu、Ag元素或不含有Mg、Al、Ti、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Li、Mn元素的锌合金。这其中，芯部优先考虑输尿管扩张支架的力学性能，表层材料优先考虑输尿管扩张支架的降解要求和生物相容性要求。
支架表层材料与芯部材料厚度比例可根据服役要求进行调整，植入部位对于机械性能要求较高时，适当减小表层材料的厚度芯部材料厚度比例，植入部位对于机械性能要求较低时，适当增大表层材料的厚度芯部材料厚度比例。较好的，表层材料与芯部材料的厚度比例大致为0.3-0.7:1。
所述材料还可根据临床要求，在扩张支架表面进行修饰，表层修饰包括机械修饰和化学修饰，具体可采用现有的一些表面处理方法，比如镀膜、微弧氧化等。表面修饰的目的：一是减慢植入初期降解速率，二是使支架表面适合后期添加药物或活性成分，降低排斥反应；修饰时可添加多肽、蛋白质、消炎药物、抗菌成分或者其他活性成分。
采用上述新型生物可降解锌基金属材料获得的输尿管扩张支架，可用于治疗或减轻输尿管梗阻症状，包括尿石症、输尿管狭窄、输尿管梗阻、肾盂输尿管连接处梗阻及腹膜后肿瘤或纤维化等，将其置于梗阻或狭窄的输尿管处，从而将梗阻或狭窄处撑开，使尿液顺利流入膀胱，减少肾或输尿管瘘的同时，促进输尿管吻合口的愈合。
具体的，可以采用所述材料制成线材，然后用线材制成所述输尿管扩张支架：
所述支架由线材螺旋盘绕组成并呈两端膨大且中段细长的哑铃状。
所述线材直径为0.1-1mm，支架中段长5-200mm，且内径为0.8-10mm；支架两端膨大处内径为中段内径的110%-150%，长度为0.5-10mm；线材盘绕的螺距为0.1-5mm。
所述支架由线材交叉组成并呈两端膨大且中段细长的网面哑铃状。
所述线材直径为0.1-1mm，支架中段长5-200mm，且内径为0.8-10mm；支架两端膨大处内径为中段内径的110%-150%，长度为0.5-10mm；线材交叉组成的网格呈菱形，该菱形网格的边长为0.1-8mm，最小内角为30°-70°。
所述材料具有良好的生物相容性、可降解性和力学性能，适用于输尿管的酸性环境下，满足输尿管扩张支架的使用要求；且其降解产物能够被人体吸收或直接排出体外，而不会引起感染，且具有一定的抗菌性能，便于输尿管细胞组织的粘附与修复生长，促进输尿管内壁组织愈合，不会引起结石和炎症。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1）本发明所述的用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料具有良好的生物相容性，可以在患者病愈后在体内完全降解并促进输尿管内壁组织愈合，解决了使用传统不可降解材料制备的输尿管支架在使用过程中需要二次手术取出的问题，减小病人痛苦；
2）本发明可降解锌基金属材料，通过调节所用锌及锌合金中合金元素的含量，实现力学性能和腐蚀性能可控，抗拉强度的范围为110-400MPa，室温延伸率的范围为0.3-50%，在模拟尿液中降解速率为0.1-1.5mm/年，降解时间控制在3周-1.5年，其性能优于现有可降解高分子材料和镁合金生物材料，更适用于输尿管的酸性环境下；
3）本发明所述可降解锌基金属材料在人体内具有良好的显影性，便于微创手术的开展及术后相关检查的开展。
附图说明
图1为本发明支架材料的金相组织照片图；
图2为实施例1中所述支架的结构示意图；
图3为实施例2中所述支架的结构示意图。
具体实施方式
以下以具体实施例来说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
一种用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其组成成分为Zn，采用高纯锌（≥99.995%）为原料制备而成。该支架材料的金相组织照片如附图1所示。该材料力学性能测试结果表明，其抗拉强度在160MPa-180MPa之间，室温最大延伸率在40%-50%之间。因此，采用该材料制备的输尿管扩张支架具有优良的韧性和变形能力。
所述支架由线材螺旋盘绕组成并呈两端膨大且中段细长的哑铃状，线材直径为0.1mm，支架中段2长20mm，且内径为2mm；支架两端膨大处1内径为中段2内径的120%，长度为5mm；线材盘绕的螺距为1mm。
该材料在模拟尿液中经过30天的体外降解测试后发现，表面无腐蚀坑，整体保持完整。失重量占其总质量的8%，且降解过程无大量沉积产物出现。说明采用该材料制备的输尿管扩张支架能够起到良好的支撑作用，无结石反应。
实施例2
一种用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，全部采用相同锌合金制成，锌合金的质量百分组成为Mg：0.5%，Cu：3%，Nd：0.5%，余量为Zn。采用高纯锌（≥99.99 wt.%）、高纯镁（≥99.99 wt.%）、高纯铜（≥99.99 wt.%）、高纯钕（≥99.95 wt.%）为原料制备。该材料的力学性能测试结果表明，其抗拉强度在330MPa-360MPa之间，室温最大延伸率在20%-30%之间。可见，采用该材料制备的输尿管扩张支架具有优良的强度和支撑性能。
所述支架由线材交叉组成并呈两端膨大且中段细长的网面哑铃状，线材直径为0.2mm，支架中段2长40mm，且内径为3mm；支架两端膨大处1内径为中段2内径的150%，长度为6mm；线材交叉组成的网格呈菱形，该菱形网格的边长为4mm，最小内角为60°。
该材料在模拟尿液中经过30天的体外降解测试后发现，表面无腐蚀坑，整体基本保持完整。失重量占其总质量的15%，且降解过程无大量沉积产物出现。说明采用该材料制备的输尿管扩张支架能够起到良好的支撑作用，无结石反应。
实施例3
一种用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其表层材料为锌合金，其质量百分组成为Ag：1.0%，Gd：2%，余量为Zn。芯部材料为锌合金，其质量百分组成为Al：4%，Ti：0.1%，余量为Zn。表层材料与芯部材料的厚度比例为4：6。采用高纯锌（≥99.99 wt.%）、高纯银（≥99.99 wt.%）、高纯钆（≥99.95 wt.%）、高纯铝（≥99.99 wt.%）、高纯钛（≥99.99 wt.%）为原料制备。该材料的力学性能测试结果表明，其抗拉强度在280MPa-320MPa之间，室温最大延伸率在30%-40%之间。因此，采用该材料制备的输尿管扩张支架具有优良的强度和支撑性能。
所述支架由线材交叉组成并呈两端膨大且中段细长的网面哑铃状，线材直径为0.5mm，支架中段长100mm，且内径为5mm；支架两端膨大处内径为中段内径的125%，长度为10mm；线材交叉组成的网格呈菱形，该菱形网格的边长为5mm，最小内角为50°。
该材料在模拟尿液中经过60天的体外降解测试后发现，支架表层材料完全降解，且降解过程无大量沉积产物出现，支架芯部材料保持完整。说明采用该材料制备的输尿管扩张支架能够起到良好的支撑作用，无结石反应。
效果例1
将实施例2中制得的锌基金属材料制备成的输尿管扩张支架。采用介入治疗方法植入到成年实验猪（50kg）的输尿管内。首先对实验猪输尿管由输尿管球囊进行预扩张，然后将携带有该输尿管扩张支架的球囊再次置入狭窄段，扩张球囊时将支架同时撑开并固定于该处。手术后使用X射线对支架植入部位进行观测，所植入支架在X射线下具有良好的可视性。手术1周后使用X射线对同样位置进行观测，发现所植入支架无明显移位。之后每隔1周对同样位置进行观测，并对实验猪的尿液进行尿常规分析。手术6个月后所植入支架完全降解，实验猪输尿管处无任何金属残留。所植入支架在实验猪体内植入期间及完全降解后，其尿液各项指标均正常，无炎症、结石出现。所植入支架完全降解后6个月内，每隔1个月对实验猪进行全面体检，结果表明其各项生理指标均正常，植入本发明所述的可降解锌基输尿管扩张支架对其组织功能无任何影响。
Claims (10)
1.一种用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其特征在于，所述锌基金属材料由锌或锌合金组成，其中，锌合金为Zn与下列一种或多种元素的合金：Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li、Mn、La、Ce、Pr、Sm、Tb、Ho、Tm、Yb、Lu。
2. 如权利要求1所述的用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其特征在于，所述锌合金的质量百分组成如下：Mg 0~10.0%，Al 0~50.0%，Ti 0~10.0%，Cu 0-12.0%，Ag 0-10.0%，Si 0-12.0%，Ca 0~10.0%，Sr 0~12.0%，Y 0~10.0%，Zr 0~5%，Sc 0~15%，Gd 0~15.0%，Nd 0~10.0%，Dy 0~15.0%，Er 0~15.0%，Li 0~10.0%，Mn 0~10.0%，La 0~10.0%，Ce 0~8.0%、Pr 0~5.0%、Sm 0~5.0%、Tb 0~15.0%、Ho 0~12.0%、Tm 0~15.0%、Yb 0~12.0%、Lu 0~15.0%且不同时为0，余量为Zn。
3.如权利要求2所述的用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其特征在于，所述锌合金的质量百分组成如下：Mg 0~3.0%，Al 0~10.0%，Ti 0~2.0%，Cu 0-6.0%，Ag 0-2.0%，Si 0-2.0%，Ca 0~4.0%，Sr 0~2.0%，Y 0~5.0%，Zr 0~2%，Sc 0~5%，Gd 0~10.0%，Nd 0~6.0%，Dy 0~10.0%，Er 0~10.0%，Li 0~6.0%，Mn 0~2.0%，La 0~8.0%，余量为Zn。
4. 如权利要求2或3所述的用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其特征在于，所述扩张支架的表层成分与芯部成分相同或不同；其中芯部选用含有Mg、Al、Ti、Cu、Ag、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Gd、Nd、Dy、Er、Li、Mn、La元素的锌合金或纯锌；表层材料选用纯锌或含有Gd、Nd、Dy、Er、La、Cu、Ag元素或不含Mg、Al、Ti、Si、Ca、Sr、Y、Zr、Sc、Li、Mn元素的锌合金；表层与芯部的厚度比例为0.3-0.7:1。
5.如权利要求4所述的用于输尿管扩张支架的新型生物可降解锌基金属材料，其特征在于，所述扩张支架表面进行修饰，修饰时添加多肽、蛋白质、消炎药物、抗菌成分或其他活性成分。
6.采用权利要求1-5任一新型生物可降解锌基金属材料获得的输尿管扩张支架。
7.如权利要求6所述输尿管扩张支架，其特征在于，所述支架由线材螺旋盘绕组成并呈两端膨大且中段细长的哑铃状。
8.如权利要求7所述输尿管扩张支架，其特征在于，所述线材直径为0.1-1mm，支架中段长5-200mm，且内径为0.8-10mm；支架两端膨大处内径为中段内径的110%-150%，长度为0.5-10mm；线材盘绕的螺距为0.1-5mm。
9.如权利要求6所述输尿管扩张支架，其特征在于，所述支架由线材交叉组成并呈两端膨大且中段细长的网面哑铃状。
10.如权利要求9所述输尿管扩张支架，其特征在于，所述线材直径为0.1-1mm，支架中段长5-200mm，且内径为0.8-10mm；支架两端膨大处内径为中段内径的110%-150%，长度为0.5-10mm；线材交叉组成的网格呈菱形，该菱形网格的边长为0.1-8mm，最小内角为30°-70°。
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