CN108079380B - 一种多孔铌 - Google Patents
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- A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
Abstract
本发明公开了一种多孔铌,该多孔铌包括材料本体,它是以材料孔径大小进行分级的孔腔,及围绕各级孔腔的腔壁构成的多级孔材料;其中上级大孔腔的腔壁是由比该级孔腔孔径小的下级小孔腔结构构成的下级腔壁结构材料构成,每一级多孔材料的孔腔均各自相互贯通且各级多孔材料的孔腔相互间也彼此贯通,所述多孔铌的最大一级多孔材料的孔腔腔壁表面的水接触角不大于58.8°,从而显著改善了最大一级孔腔腔壁表面的亲水性,提高了生物相容性,有利于腔壁表面与血液及组织液的结合,有利于蛋白质的吸附,有利于成骨细胞的黏附、生长和铺展,从而有利于骨组织再生。
Description
技术领域
本发明涉及多孔材料,特别涉及一种用于医用植入材料的多孔铌。
背景技术
金属铌具有高的惰性与抗腐蚀性能,并具有优良的生物相容性和生物活性,很适宜于做生物植入材料。人们对铌作为生物植入材料已开展了一定研究,如Matsuno H等研究了铌用于骨组织的生物相容性(Matsuno H et al Biocompatibility and osteogenesisof refractory metal implants, titanium, hafnium, niobium, tantalum andrhenium. Biomaterials 2001 22:1253-1262),CN105193505A一种外科用脏器隔离垫提供的一种外科用脏器隔离垫用铌作为制备材料之一,然而,致密的金属铌由于比重大,弹性模量与人体骨不符合等缺点,无法直接应用人体中。因此设计和制造一种既具有优良的生物相容性和生物活性,又具有较好的力学性能且与人体骨微观结构相符合的多孔铌金属材料将会成为科研学者的研究热点。CN201410701050.2一种多孔铌制件的3D打印制造方法介绍了通过氧化铌粉末的选择性激光烧结(Selective Laser Sintering,SLS),成形出复杂形状氧化物制件;然后将其作为阴极进行熔盐电解脱氧,使氧化铌制件还原为铌制件,同时保留原有形状,从而获得复杂形状多孔铌制件的方法。目前多孔铌作为医用植入材料,实际应用少,效果不佳,其植入人体后,人体骨组织不能正常长入植入材料内,即这种植入材料不能实现骨组织再生,不能作为真正意义上的骨修复材料。
发明内容:
本发明的目的是提供一种有利于骨组织生长、骨修复效果好的医用植入再生材料—多孔铌材料。
本发明目的通过如下技术方案实现:
一种多孔铌,包括材料本体,所述材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔,及围绕各级孔腔的腔壁构成的多级孔材料;其中上级大孔腔的腔壁是由比该级孔腔孔径小的下级小孔腔结构构成的下级腔壁结构材料构成,每一级多孔材料的孔腔均各自相互贯通且各级多孔材料的孔腔相互间也彼此贯通,所述多孔铌的最大一级多孔材料的孔腔腔壁表面的水接触角不大于58.8°。这种结构的多孔铌,不仅可以显著改善最大一级孔腔腔壁表面的亲水性,更重要的是它特别有利于腔壁表面与血液及组织液的结合,有利于蛋白质的吸附,有利于成骨细胞的黏附、生长和铺展,有利于骨组织再生,使其植入人体后具有良好的再生功能。
进一步说,所述的多孔铌材料,其最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于44.5°,使腔壁表面的亲水性更好,多孔铌骨再生效果更佳。
进一步说,所述的多孔铌,其最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于28.6°,使腔壁表面的亲水性进一步改善,多孔铌骨再生能力更强。
进一步说,所述的多孔铌,其最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于11.7°
,使腔壁表面的亲水性进一步显著改善,多孔铌骨再生能力进一步显著提高。
进一步说,本发明所述的多孔铌,如果其分级级数至少在三级,它可以有效实现腔壁表面的亲水性显著改善的效果,使多孔铌骨再生效果显著改善。
进一步说,所述的多孔铌,其最大一级孔腔孔径为100μm-1500μm,非常有助于骨组织长入多孔铌植入材料。
进一步说,所述的多孔铌,其材料本体内的由同级孔腔及腔壁构成的同级多孔材料在所述材料本体内自为一连续结构体,使每级多孔材料都可以作为一级独立的多孔材料存在于本体中来发挥本级孔的独特作用,也使多孔铌本体具有多种功能的有益效果。
进一步说,所述的多孔铌,同级多孔材料构成的连续结构体的最大外边界与整个多孔铌的材料本体的最大空间边界相当。这样的结构可以使得各级多孔材料在整个材料空间中具有不同的物化性能,使整个材料本体能满足多方面的功能需求。
进一步说,所述的多孔铌,其每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的,从而使整体材料本体有均匀的性能。
本发明的有益效果:
(1)本发明提供的多孔铌由于上级大孔腔的腔壁是由比该级孔腔孔径小的下级小孔腔结构构成的下级腔壁结构材料构成,使得最大一级孔腔腔壁更加粗糙,从而提高了最大一级孔腔腔壁的亲水性,而贯通的下一级孔腔又具有毛细作用,进一步增强了腔壁的亲水性。本发明所述的多孔铌的结构特点特别有利于腔壁表面与血液及组织液的结合,有利于蛋白质的吸附,有利于成骨细胞的黏附、生长和铺展,提高了生物相容性,有利于骨组织再生。
(2)本发明所述多孔铌每一级孔腔均各自相互贯通且各级孔腔相互间也彼此贯通,使血液与组织液在多孔铌内部更顺利流动,以完成其相应功能。
(3)本发明所述的多孔铌可以使得每级多孔铌分别完成各自独特的功能,而整个多孔铌材料就可满足多种功能的需求。
(4)由于多孔铌各级孔均匀分布,使其性能均匀稳定。
具体实施方式
具体实施方式以本发明技术方案为前提,给出了详细的实施方式,但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。在不脱离和改变本发明上述技术思想情况下,根据本领域的普通技术知识和/或惯用手段,显然还可以做出多种形式的替换或变更,并均应包括在本发明的范围之内。
以下详细给出本发明的实施例:
实施例1
本实施例的多孔铌具有二级孔,其中,均匀分布、相互贯通的第一级孔腔(大孔腔)的腔壁上有均匀分布、相互贯通的第二级孔腔(小孔腔),且各级孔腔相互间也彼此贯通。每级多孔铌自为一连续结构体,每一级多孔铌的最大外边界与整个材料本体空间边界相当,每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。具有二级孔结构多孔铌的制备采用如下方法:将铌粉、制备第二级孔腔的造孔剂、粘合剂、蒸馏水按照比例配制成浆料,超声分散,将浆料用聚酯泡沫均匀浸渍,形成坯体并干燥,将干燥的坯体真空烧结,烧结后的坯体按照铌材工艺进行常规后续热处理即得到具有二级孔的多孔铌。第一级、第二级孔腔孔径的大小分别通过聚酯泡沫的孔径、造孔剂的粒径控制。
具体到本实施例的具有二级孔的多孔铌,其最小级孔腔(第二级孔腔)的孔径为7µm-30µm,比最小级孔腔孔径大一级的上一级孔腔(第一级孔腔)孔径为1100µm-1500µm。其详细制备方法是:
其制备方法是:
(1)材料准备
采用粒径为20nm的铌粉为原料,粒径为12µm-38µm的甲基纤维素做为待制多孔铌的最小一级孔腔的造孔剂,用粒径为50nm以下的聚乙烯醇作为粘合剂,按照铌粉:甲基纤维素:聚乙烯醇:蒸馏水按体积比50:7:3:120配制成浆料,超声分散40min。
(2)采用孔径为1200µm-1650µm的聚氨酯泡沫,将所述浆料用泡沫均匀浸渍,形成坯体并干燥。
(3)将干燥的坯体真空烧结:取真空度为7×10-4Pa,先取1.5℃/min 的速率将致密坯体加热至650℃,保温2小时,然后取20℃/min 的速率将坯体加热至1400℃,然后再取10℃/min 的速率将坯体加热至1620℃,保温4小时,烧结后的坯体按照铌材工艺进行常规后续热处理得到具有二级孔的多孔铌。
取上述制备的多孔铌试样,采用FEINovaNanoSEM400场发射扫描电镜观察试样上表面靠近一侧面处第一级孔腔腔壁表面的形貌,找出接近平面、尺寸大于400µm×400µm的第一级孔腔腔壁水平面5处,对上述5处腔壁水平面用PT-705D接触角测量仪从上述上表面与侧面测试水接触角,所取去离子水液滴为0.03µl,测试结果如表1所示。
表1第一级孔腔腔壁表面水接触角测量值
孔腔腔壁序号 | 孔腔腔壁表面水接触角测量值 |
1 | 58.4° |
2 | 58.9° |
3 | 59.1° |
4 | 58.6° |
5 | 59.0° |
平均值 | 58.8° |
纯铌光滑表面的水接触角为67°,可见,采用多级孔腔结构的多孔铌第一级孔腔腔壁表面的亲水性得到明显改善。
实施例2
本实施例的多孔铌具有二级孔,其中,均匀分布、相互贯通的第一级孔腔的腔壁上有均匀分布、相互贯通的第二级孔腔,且各级孔腔相互间也彼此贯通。每级多孔铌自为一连续结构体,每一级多孔铌的最大外边界与整个材料本体空间边界相当,每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。其最小级孔腔(第二级孔腔)的孔径为25µm-40µm,比最小级孔腔孔径大一级的上一级孔腔(第一级孔腔)孔径为800µm-1100µm。
其制备方法与实施例1相似,其中孔腔孔径大小通过造孔剂粒径大小、聚氨酯泡沫孔径大小控制,步骤(1)材料准备中,铌粉:甲基纤维素:聚乙烯醇:蒸馏水的体积比为50:27:4:165,聚氨酯泡沫的孔径为920µm -1210µm。
按照实施例1的方法测试,该多孔铌第一级孔腔腔壁表面的水接触角为50.1°。
实施例3
本实施例的多孔铌具有二级孔,其中,均匀分布、相互贯通的第一级孔腔的腔壁上有均匀分布、相互贯通的第二级孔腔,且各级孔腔相互间也彼此贯通。每级多孔铌自为一连续结构体,每一级多孔铌的最大外边界与整个材料本体空间边界相当,每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。其最小级孔腔(第二级孔腔)的孔径为30µm-60µm,比最小级孔腔孔径大一级的上一级孔腔(第一级孔腔)孔径为600µm-800µm。
其制备方法与实施例1相似,其中孔腔孔径大小通过造孔剂粒径大小、聚酯泡沫孔径大小控制,步骤(1)材料准备中,铌粉:甲基纤维素:聚乙烯醇:蒸馏水的体积比为10:12:1:48,聚氨酯泡沫的孔径为700µm -910µm。
按照实施例1的方法测试,该多孔铌第一级孔腔腔壁表面的水接触角为44.5°。
实施例4
一种多孔铌材料,具有三级孔腔,每级孔腔相互贯通,且各级孔腔相互间也彼此贯通。每级多孔铌自为一连续结构体,每一级多孔铌的最大外边界与整个材料本体空间边界相当,每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。具有三级孔腔结构的多孔铌采用的制备方法是:将铌粉、制备第三级孔腔的造孔剂、制备第二级孔腔的造孔剂、粘合剂、蒸馏水按照比例配制成浆料,超声分散,将浆料用聚酯泡沫均匀浸渍,形成坯体并干燥,将干燥的坯体真空烧结,烧结后的坯体按照铌材工艺进行常规后续热处理即得到具有三级孔的多孔铌。第一级孔腔孔径的大小通过聚酯泡沫的孔径控制,第二级、第三级孔腔孔径的大小通过造孔剂的粒径控制。
具体到本实施例的具有三级孔结构的多孔铌,其三维贯通的最大孔(第一级孔)孔腔孔径为400μm-600μm,在最大孔孔腔的腔壁上有贯通的第二级孔腔,孔腔的孔径为10μm -30μm,在第二级孔腔的腔壁上有贯通的第三级孔腔(最小级孔),孔径为400nm -700nm,,该多孔铌详细制备方法如下:
(1)材料准备
采用粒径为20nm的铌粉,粒径为500nm-800nm 的乙基纤维素,粒径为18μm -39μm的甲基纤维素,粒径小于50nm的聚乙烯醇,将铌粉:乙基纤维素:甲基纤维素:聚乙烯醇:蒸馏水按体积比13:5:25:2:92配制成浆料,超声分散40min。
(2)采用孔径为510µm-710µm的聚酯泡沫,将所述浆料用泡沫均匀浸渍,形成坯体并干燥。
(3)将干燥的坯体真空烧结:取真空度为7×10-4Pa,先取1.5℃/min 的速率将上述坯体加热至650℃,然后取20℃/min 的速率将坯体加热至1380℃,然后再取10°/min 的速率将坯体加热至1600℃,保温4小时,烧结后的坯体按照铌材工艺进行常规后续热处理得到具有三级孔的多孔铌。
按照实施例1的方法测试,该多孔铌第一级孔腔腔壁表面的水接触角为28.6°。
将上述多孔铌制成Φ5×8mm大小的棒2个,另取仅有单一孔腔,孔腔孔径为400μm-600μm的多孔铌,该多孔铌通过碳骨架用化学气相沉积法制备,其腔壁表面为致密光滑表面,腔壁表面水接触角为67°,制成Φ5×8mm大小的棒2个,经γ-射线消毒后密封包装,待用。
选取体重范围为12-14kg骨龄成熟的健康家犬2个开展实验动物,用速眠新二号0.3m1/kg的剂量对家犬给予肌注以完成诱导麻醉,1分钟后用3%浓度的戊巴比妥注射液以1ml/kg的剂量肌注。术前剃净家犬股骨外侧髁部位周围的毛,将动物侧卧位固定于手术台上,碘伏消毒手术区域,取股骨外侧髁部位切口,长约4-5cm,逐层切开显露股骨外侧髁部位,用电钻在股骨外侧髁中心部位制造骨缺损,缺损区域大小同材料大小,孔壁四周以磨钻打光滑。缺损中心植入本实施例的多孔铌棒,植入完成后依次用百分比为3%的双氧水、生理盐水冲洗创口,逐层缝合创口。将家犬翻身后固定于手术台,重新消毒对侧手术区域,手术方法同上述,将另一条腿植入化学气相沉积法制备的多孔铌棒。另一个家犬进行同样手术,手术完成后每天肌注头孢唑啉钠2.0g预防感染,共注射三天。
将8周和12周后取出的家犬股骨髁部经80%酒精处理,进行脱水,树脂包埋,通过硬组织切片机(Leica-LA)将包埋块沿横轴方向进行垂直连续切片,每个试样不同位置切片3张以上,厚度约150μm-200μm,用磨片机研磨到50μm厚并行抛光处理,利用V-G将处理完成后的硬组织切片进行染色,于光学显微镜(LEIICA MTLA)下采集图像,观察新骨长入多孔铌棒状况,采集图像后,利用Image pro p1us6.0专业图像分析软件,对新生骨组织面积比进行定量分析。
多孔铌棒植入家犬体内8周后,本实施例制备的多孔铌棒骨组织长入多孔铌棒孔隙的面积占多孔铌棒孔隙总面积70%,化学气相沉积法制备的两个多孔铌棒骨组织仅长入14%。
多孔铌棒植入家犬体内12周后,本实施例制备的多孔铌棒骨组织长入多孔铌棒孔隙的面积占多孔铌棒孔隙总面积90%,化学气相沉积法制备的两个多孔铌棒骨组织仅长入22%。
实施例5
一种多孔铌材料,具有三级孔腔,三维贯通的最大孔(第一级孔)孔腔孔径为100μm-400μm,在最大孔孔腔的腔壁上有贯通的第二级孔腔,孔腔的孔径为1μm-10μm,在第二级孔腔的腔壁上有贯通的第三级孔腔(最小级孔),孔径为6nm-8nm,且各级孔腔相互间也彼此贯通。每级多孔铌自为一连续结构体,每一级多孔铌的最大外边界与整个材料本体空间边界相当,每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。其制备方法参照实施例4,其中孔腔孔径大小通过造孔剂粒径大小、聚氨酯泡沫孔径大小控制,乙基纤维素改为嵌段共聚物F127。
按照实施例1的方法测试,该多孔铌第一级孔腔腔壁表面的水接触角为11.7°。
Claims (8)
1.一种多孔铌,包括材料本体,其特征在于:所述材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔,及围绕各级孔腔的腔壁构成的多级孔材料;其中上级大孔腔的腔壁是由比该级孔腔孔径小的下级小孔腔结构构成的下级腔壁结构材料构成,每一级多孔材料的孔腔均各自相互贯通且各级多孔材料的孔腔相互间也彼此贯通,所述多孔铌的最大一级多孔材料的孔腔腔壁表面的水接触角不大于58.8°;所述多孔铌中的每一级的同级多孔材料的孔腔在所述材料本体内是均匀分布的。
2.如权利要求1所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于44.5°。
3.如权利要求1所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于28.6°。
4.如权利要求1所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌最大一级孔腔腔壁表面的水接触角不大于11.7°。
5.如权利要求3或4所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌的分级级数至少三级。
6.如权利要求1-5任一权利要求所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌最大一级孔腔孔径为100μm -1500μm。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述的多孔铌,其特征在于:所述多孔铌本体内的由同级孔腔及腔壁构成的同级多孔材料在所述材料本体内自为一连续结构体。
8.如权利要求7所述的多孔铌,其特征在于:同级多孔材料构成的连续结构体的最大外边界与整个多孔铌的材料本体的最大空间边界相当。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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