CN107190190B - 骨缺损修复用的梯度多孔镁合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种梯度多孔镁合金材料,用于骨缺损修复,所述梯度多孔镁合金材料由镁合金粉末和添加剂在梯度压力下制备预制体,然后采用真空烧结工艺制备,其内部和表面都具有连通的孔隙,所述孔隙呈梯度分布且其孔隙率的大小与植入空间周围骨组织的密度沿特定方向呈反比,即皮质骨密度高的部位所对应孔隙率小的镁合金部位,而松质骨密度低的部位对应孔隙率大的镁合金部位。孔隙率高的区域降解较快,而孔隙率低的区域有助于提高其强度,减少体液和多孔镁合金的接触面积,降解速度较慢,从而使镁合金的降解速度尽可能与骨组织的愈合相匹配。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域,尤其涉及一种骨缺损修复用的梯度多孔镁合金材料。
背景技术
用于人体硬组织修复或替换的外科植入材料,在临床上有广泛的应用需求。具有良好生物相容性、可降解体内可吸收的镁合金是近年来研究的热点。在生物材料和医疗器械中,最具有应用前景的是骨、牙和关节等硬组织的修复和替换材料。主要原因是:镁具有良好的生物相容性、可完全降解不需二次手术、镁合金的密度与人骨相差不大,弹性模量与骨接近等优点,避免应力遮挡效应。
但是如何制备多孔镁合金材料是目前多孔金属材料领域的一个难题。目前常用的多孔金属材料制备方法主要有粉末冶金(PM)法,纤维冶金法,渗流铸造法,金属沉积法,自蔓延高温合成法等方法。上述常规方法存在的问题是:(1)由于镁及镁合金化学性质较为活泼,容易和其它物质发生化学反应而变性,并且易腐蚀,在熔炼中容易与空气中的氧反应而激烈燃烧,导致制备工艺复杂;(2)制备多孔镁的工艺过程中引入了大量的发泡剂、造孔剂,因而在多孔镁及多孔镁合金材料中易形成氧化物或夹杂物,影响其使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于修复骨缺损的、梯度多孔镁合金材料,在体内环境下降解,其降解产物镁离子可诱导新骨产生,其降级速度尽可匹配皮质骨和松质骨部位新骨的形成速度。
为实现上述目的,本发明提供了一种梯度多孔镁合金材料,为用于骨缺损修复的植入材料,所述梯度多孔镁合金材料由镁合金粉末和添加剂在梯度压力下制备预制体,然后采用真空烧结工艺制备制得所述梯度多孔镁合金材料,所述梯度多孔镁合金材料的内部和表面都分布有连通的若干孔隙,所述孔隙呈梯度分布且其孔隙率的大小与待修复的骨组织的密度呈反比。
较佳地,所述孔隙率与待修复骨组织的松质骨、皮质骨的密度成反比。
较佳地,所述镁合金的元素包括有Mg、Zn和Ca,按照质量百分比计算,Zn的含量为0<Zn≤12%,Ca的含量为0<Ca≤5%,余量为Mg。
较佳地,所述孔隙包括有主孔和微孔,所述主孔的孔径为150~1000微米,所述微孔的孔径为10~100微米。
本发明还提供一种梯度多孔镁合金材料的制备方法,包括如下步骤:
(a)取镁合金Mg-Zn、Mg-Ca粉末与NaHCO3混合,得到混合物,其中,按照质量百分比计算,Mg-Zn粉末的含量为70%~90%,Mg-Ca粉末的含量为5%~15%,NaHCO3的含量为5%~15%;
(b)将所述混合物放入球磨机中,通入氩气保护进行球磨10~12h;
(c)在梯度压力下将球磨后的所述混合物进行压实,先以第一压力压制孔隙率小的部分,然后再装料以第二压力压制孔隙率较大的部分,最后装料以第三压力压制孔隙率最大的部分,从而制得所述梯度多孔镁合金材料的预制体;
(d)将所述预制体进行真空烧结,得到所述梯度多孔镁合金材料,具体地,将所述预制体放置于坩埚内,抽真空后加热,从而得到所述梯度多孔镁合金材料。
较佳地,步骤(d)后还包括在碱性环境溶液中进行浸泡至少10h,然后用纯水多次清洗,清洗后保证不残留Na2CO3。
较佳地,采用电动冷等静压机将所述混合物进行压实,制备预制体。其中,所述第一压力、所述第二压力、所述第三压力的大小依次递减。具体地,梯度压力是由CIP-50MA电动冷等静压机提供,在压实混合物过程中,其顺序是先大后小,目的是获得材料内部的空隙呈梯度分布,具体压力值为5MPa~160MPa。
较佳地,所述步骤(d)为采用真空烧结设备,加热温度620℃~700℃,升温速度≤100℃/h,缓慢的加热使得NaHCO3产生的CO2和H2O气体能够及时地被真空系统抽出,保证梯度多孔镁合金材料不会产生更多的MgO或Mg(OH)2。
本发明制备的多孔镁合金,主要是添加小苏打,室温下采用梯度压力分段制备梯度多孔镁合金材料的预制体,然后真空烧结。并且镁合金组成元素为体内常量有益元素Mg、Zn和Ca三种。
制备多孔结构的主要机理是:为细胞提供三维生长空间,有利于养料和代谢物的交换运输,其本身具有生物活性,可诱导细胞分化生长和血管长入。因此,多孔镁合金满足作为骨组织工程材料的要求,可用作心血管支架、骨固定材料和多孔骨修复材料,具有良好的研究和应用前景。
附图说明
图1是本发明的梯度多孔镁合金材料的结构示意图。
具体实施方式
为了详细说明本发明的技术内容、构造特征,以下结合实施方式并配合附图作进一步说明。
本发明旨在提供一种用于修复骨缺损的、其降解速度和力学性能可与植入部位的骨组织相匹配的梯度多孔镁合金材料1。
如图1所示,本发明的梯度多孔镁合金材料1用于骨缺损修复,梯度多孔镁合金材料1由两种镁合金粉末和NaHCO3粉末混合后真空烧结制得,包括有一材料本体10以及分布于其内部的、连通的若干孔隙20,呈梯度分布,孔隙包括有主孔和微孔,主孔的孔径为150~1000微米,微孔的孔径为10~100微米。。
具体地,两种镁合金粉末的元素包括有Mg、Zn和Ca,按照质量百分比计算,Zn的含量为0<Zn≤12%,Ca的含量为0<Ca≤5%,余量为Mg。
本发明还提供一种梯度多孔镁合金材料1的制备方法,包括如下步骤:
(a)分别称量镁合金Mg-Zn合金粉末2.5kg、Mg-Ca合金粉末0.5kg和NaHCO3粉末0.3kg,混合均匀,得到三种粉末的混合物;
(b)将混合物放入球磨机中,通入氩气保护进行球磨,球磨时间10h~12h,使混合物均匀混合;
(c)将球磨后的混合物进行分步骤压实,制备预制体,具体工艺如下:
①将混合粉末等体积分成5份。
②调整CIP-50Ma的压力值为55MPa,将第一份混合粉末装入挤压筒内,加压,保压时间1h;
③调整CIP-50Ma的压力值为45MPa,将第二份混合粉末装入挤压筒内,加压,保压时间1h;
④调整CIP-50Ma的压力值为35MPa,将第三份混合粉末装入挤压筒内,加压,保压时间1h;
⑤调整CIP-50Ma的压力值为20MPa,将第四份混合粉末装入挤压筒内,加压,保压时间1h;
⑥调整CIP-50Ma的压力值为10MPa,将第五份混合粉末装入挤压筒内,加压,保压时间1h;
(d)将预制体进行真空烧结,得到梯度多孔镁合金材料1。具体工艺如下:
①将预制体放入烧结炉内,开水循环,依次打开三级抽真空系统阀门,开始抽真空,当真空度达到~10-3Pa,充高纯氩气,真空度达到10Pa时,停止充气;
②开始设置加热升温参数,150℃×0.3h—650℃×5h—650℃;
③在三级真空系统工作的前提下,停止加热,随炉冷却;
④温度计显示室温时,开炉取料。
(e)将取出的梯度多孔镁合金材料1浸入10%的NaOH溶液中10h,然后用纯水清洗,晾干。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实例而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,因此依本发明权利要求所作的等同变化,仍属于本发明所涵盖的范围。
Claims (5)
1.一种梯度多孔镁合金材料,其特征在于,为用于骨缺损修复的植入材料,所述梯度多孔镁合金材料由镁合金粉末和添加剂在梯度压力且压力值为5MPa~160MPa 下,先以第一压力压制孔隙率小的部分,然后再装料以第二压力压制孔隙率较大的部分,最后装料以第三压力压制孔隙率最大的部分制备预制体,所述第一压力、所述第二压力、所述第三压力的大小依次递减,然后采用真空烧结工艺制备制得所述梯度多孔镁合金材料,所述真空烧结工艺的加热温度620℃~700℃,升温速度≤100℃/h,所述镁合金粉末和所述添加剂中,按照质量百分比计算,Mg-Zn粉末的含量为70%~90%,Mg-Ca粉末的含量为5%~15%,添加剂NaHCO3的含量为5%~15%,所述梯度多孔镁合金材料的内部和表面都分布有连通的若干孔隙,所述孔隙呈梯度分布且其孔隙率的大小与待修复的骨组织的密度呈反比,所述镁合金的元素包括有Mg、Zn和Ca,按照质量百分比计算,Zn的含量为0<Zn≤12%,Ca的含量为0<Ca≤5%,余量为Mg。
2.如权利要求1所述的梯度多孔镁合金材料,其特征在于,所述孔隙率与待修复骨组织的松质骨、皮质骨的密度成反比。
3.如权利要求1所述的梯度多孔镁合金材料,其特征在于,所述孔隙包括有主孔和微孔,所述主孔的孔径为150~1000微米,所述微孔的孔径为10~100微米。
4.一种梯度多孔镁合金材料的制备方法,包括如下步骤:
(a)取镁合金Mg-Zn、Mg-Ca粉末与NaHCO3混合,得到混合物,其中按照质量百分比计算,Mg-Zn粉末的含量为70%~90%,Mg-Ca粉末的含量为5%~15%,NaHCO3的含量为5%~15%;
(b)将所述混合物放入球磨机中,通入氩气保护进行球磨10~12h;
(c)在梯度压力下将球磨后的所述混合物进行压实,先以第一压力压制孔隙率小的部分,然后再装料以第二压力压制孔隙率较大的部分,最后装料以第三压力压制孔隙率最大的部分,从而制得所述梯度多孔镁合金材料的预制体;
(d)将所述预制体进行真空烧结,得到所述梯度多孔镁合金材料,所述镁合金的元素包括有Mg、Zn和Ca,按照质量百分比计算,Zn的含量为0<Zn≤12%,Ca的含量为0<Ca≤5%,余量为Mg。
5.如权利要求4所述的梯度多孔镁合金材料的制备方法,其特征在于,采用电动冷等静压机将所述混合物进行压实,制备预制体。
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