CN108236742A - 一种多孔钽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多孔钽医用植入材料，其材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，且所述多孔钽本体中最大级孔腔的腔壁的比表面积不小于20.3cm2/g，该多孔钽相对于仅具有单一孔隙的多孔钽显著增大了材料的比表面积，有利于贮存更多的生长因子与药物，而且有助于细胞的粘附、增值、分化，有助于组织液、营养物质的传输，有利于实现骨再生。

Description

一种多孔钽
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钽。
背景技术
钽性能优良，在工业领域中具有广泛的应用价值，自然条件下不与水、空气在冷、热环境中发生任何反应并能抵抗酸、碱及其他多种无机物，有着极强的抗腐蚀性。此外，钽在生物体内成惰性，有极强的化学稳定性，对生物机体组织无刺激，与人体组织非常好地相容，而且，钽具有较高的表面能和较好的润湿性，在植入人体一段时间后，生物组织易在钽表面生长，与自然骨有较高的结合性能，因而成为制作外科植入物的理想材料。钽在这方面的应用历史己超过半个世纪，包括心脏起博器、颅骨缺损修补、血管夹、股骨柄假体、用于神经修复的金属丝、片或网等等。然而，致密的钽金属由于比重大，弹性模量高等缺点，直接植入人体中效果不佳，因此，人们开始研制多孔钽。多孔钽金属的基本结构使其具有整体容积孔隙率高、表面摩擦系数高及弹性模量低等特点，使得多孔钽有望成为骨科临床应用领域具有良好发展前景的一种新材料。
人们已对多孔钽开展了很多研究，如Balla VK等在体外使用人胎成骨细胞与多孔钽复合培养，研究了多孔钽材料对细胞毒性及活性的影响（Porous tantalum structuresfor bone implants：fabrication，mechanical and in vitro biological properties[J].Acta Biomater，2010，6(8):3319-3359）, Hacking SA等研究了多孔钽的孔隙率、强度及生物相容性（Fibrous tissue ingrowth and attachment to porous tantalum [J]Biomed Mater Res，2000，52(4)631-638）；Shimko DA等对多孔钽弹性模量进行了研究（Effect of porosity on the fluid flow characteristics and mechanicalproperties of tantalum scaffolds [J]. Journal of Biomedical MaterialsResearch Part B Applied Biomaterials,2005,5(73):315-324.）；CN105177523A一种医用多孔钽金属材料及其制备方法介绍了利用化学气相沉积方法制备多孔钽。但是，这一系列研究成果制得的医用植入材料，实际应用效果始终不佳。目前，无论是文献报道的还是市场上所见的多孔钽医用植入材料，植入人体后，人体骨组织不能正常长入植入材料内，也即这种植入材料不能实现骨组织再生，也就不能成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—多孔钽材料。
发明人认为，作为骨植入再生材料，它不仅需要具有一定的孔隙率、强度，它的孔隙率要更有利于贮存更多的药物及生长因子，并有利于细胞粘附、分化、增值，从而更有利于骨组织长入植入材料内部来实现骨真正的再生、修复。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种多孔钽，其材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，其特征在于：呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，且所述多孔钽本体中最大级孔腔的腔壁的比表面积不小于20.3cm2/g，采用本发明提供的技术方案，相对于仅具有单一孔隙的多孔钽，如现有气相沉积的多孔钽，显著增大了材料的比表面积，例如，对于致密实体钽，取1克，其形状取圆柱形ϕ3.6cm×5.9cm的圆柱，其比表面积仅为0.87 cm2。而且发明人研究发现，关于多孔材料中具有一定孔隙率的材料本体，如果比表面积达到一定要求将更有利于生长因子与药物的贮存，对细胞的粘附、增值、分化具有不可忽视的作用，且与各孔腔贯通的良好配合更有助于组织液、营养物质的传输，从而有助于相关细胞长入植入材料内部，实现骨再生。
进一步说，所述的多孔钽，同级多孔钽材料中的孔腔相互间通过贯通部贯通连接，各级多孔钽材料中的孔腔相互间通过贯通部彼此贯通连接，这种结构的多孔钽特别有利于组织液、营养物质的传输，骨组织的长入。
进一步说，所述的多孔钽，同级多孔钽材料与各级多孔钽材料的孔腔相互间连接的贯通部截面直径不小于该贯通部所连接的较小孔腔的孔径的50%，使多孔材料的贯通性更加良好。更加有利于组织液、营养物质的传输，骨组织的长入。
进一步说，所述的多孔钽，其材料本体中最大级多孔钽材料的孔腔的腔壁的孔腔孔径为100μm以下，随着比表面积的增大，使最大级孔腔的腔壁上能贮存较多的药物及生长因子。故所述的多孔钽，其材料本体中最大级多孔钽材料的孔腔的腔壁的孔腔孔径为10μm以下或1μm以下，比表面积更大，使最大级孔腔的腔壁上能贮存更多的药物及生长因子，更有利于组织液、营养物质的传输，骨组织的长入。
进一步说，所述的多孔钽，其材料本体按照材料孔径大小分为三级，最小级多孔钽材料的孔腔孔径为纳米级，最大级多孔钽材料的孔腔的孔径为微米级，中间级多孔钽材料的孔腔孔径介于最小级多孔钽材料的孔腔与最大级多孔钽材料的孔腔的孔径之间。
进一步说，所述的多孔钽，所述的多孔钽中间级多孔钽材料的孔腔的孔径为1μm-100μm，这种结构的多孔钽特别适于细胞的生长寄居。
进一步说，所述的多孔钽，所述的多孔钽，其中最大级多孔钽材料的孔腔的孔径为100μm以上并且不大于1500μm，这种结构的多孔钽特别适于骨组织长入。
采用本发明所述的多孔钽，通过在其材料本体上的大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，贯通性良好，且所述多孔钽材料本体中最大级多孔钽材料的孔腔的腔壁的比表面积不小于20.3cm2/g，具有这种比表面积的多孔钽可以承载更多的生长因子与药物，而且更加有助于细胞的粘附、增值、分化，再加之其良好的贯通性更加有助于组织液、营养物质的传输，从而有助于骨再生。特别是具有三级孔结构的多孔钽，不仅满足细胞的寄居，骨组织长入；而且该植入材料可以贮存大量的生长因子与药物，并有助于细胞的的粘附、分化、增值，从而有助于实现真正的骨再生与修复。
附图说明
下面将结合附图与实施例对本发明作进一步阐述。
图1为本发明的多孔钽结构示意图；
图2为本发明实施例1的第二级多孔钽孔腔与第一级多孔钽孔腔贯通结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作说明，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和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。
如图1所示，该图显示了多级钽材料结构，该材料为二级孔材料，1为大孔腔（第一级多孔钽材料的孔腔），2为大孔腔的腔壁，3为大孔腔腔壁2上的小孔腔（第二级多孔钽材料的孔腔）。
实施例1
本实施例的多孔钽为具有二级孔的多孔材料，其材料本体中的第一级多孔钽材料的孔腔1孔径为400μm-800μm ，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁2上具有第二级多孔钽材料的孔腔3，第二级多孔钽材料的孔腔孔径为90μm -100μm，同级多孔钽材料的孔腔均相互贯通，且各级多孔钽材料的孔腔相互间也彼此贯通，多孔钽材料中的孔腔相互间通过贯通部彼此贯通连接，其贯通部结构示意如图2所示，该图为第一级多孔钽材料的孔腔与第二级多孔钽材料的孔腔贯通结构示意图，其中4为第一级多孔钽材料的孔腔，孔径为d4，5为第二级多孔钽材料的孔腔，孔径为d5，6为第一级多孔钽材料孔腔与第二级多孔钽材料孔腔贯通部，截面直径为d6。该实施例的多孔钽制备方法如下：
（1）材料准备：将颗粒粒径为3μm -5μm的钽粉、粒径为110μm -130μm的甲基纤维素、直径为30μm-34μm，长为28μm的聚乙二醇酸纤维、聚乙烯醇粉、蒸馏水按照体积比224：93：3：10：660配制成浆料；超声分散30min，并反复搅拌3h。
（2）将上述浆料灌满孔径为500μm-700μm、棱直径为500μm -900μm的聚氨酯泡沫，在密闭模具中压实，取出在130℃烘干3h。
（3）将烘干的样品取出，放入真空炉中，抽真空达到10-4Pa，用1℃ /min的速率从室温升至400℃，保温70min；然后以同样加热速度升至600℃，保温90min；
（4）继续在真空炉中高温烧结：以8℃ /min的速率从室温升至1250℃，保温40min；然后以12℃ /min的速率升至1500℃，保温50min；以35℃/min的速率升至2200 ℃，保温150min；再以10℃/min的速率冷却至1500℃，保温30min；以10℃/min的速率冷却至1100℃，保温60min；以10℃ /min的速率冷却至600℃；然后随炉冷却。
（5）进行退火处理：将样品放入真空退火炉中，使真空度达到10-4Pa，以100℃ /min的速率从室温升至1200℃，保温280min；再以5℃/min的速率冷却至1000 ℃，保温200min；以10℃ /min的速率冷却至600℃，保温160min；以16℃/min的速率冷却至室温，最后进行常规后处理制得多孔钽。
取上述制备的多孔钽试样，制备一平面，采用FEINova Nano SEM 400场发射扫描电镜观察试样平面第一级多孔钽材料的孔腔腔壁的形貌，用仪器软件测量第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径d6为22μm-25μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为360μm -770μm。
在所制得的多孔钽上随机用电火花加工取10个第一级多孔钽材料孔腔（即大孔腔）的棱，采用康塔仪器公司的Monosorb直读式比表面分析仪测量，以高纯氮气为吸附质，200℃除气，在液氮温度下测定在相对压力为0.3下样品的氮吸附量V，依据B.E.T.方程求出相应于吸附剂表面被氮覆盖满单分子层时的吸附量即单分子层饱和吸附量Vm，然后再根据每一吸附氮气分子在吸附剂表面所占的面积及吸附剂重量，可计算出该多孔钽大孔腔的棱也即腔壁的比表面积，所测得结果为20.4 cm2/g。
实施例2
本实施例与实施例1相似，不同之处为第一级多孔钽材料孔腔孔径为100μm-400μm ，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为90μm -100μm，制备方法类似实施例1，其中材料准备为：将颗粒粒径为3μm -5μm的钽粉、粒径为110μm -130μm的甲基纤维素、直径为55μm-65μm，长为40μm的聚乙二醇酸纤维、聚乙烯醇粉、蒸馏水按照体积比42：13：5：2：120配制成浆料；超声分散30min，并反复搅拌3h。
用实施例1同样的方法测试，其第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径d6为46μm-52μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为80μm-360μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积28.9 cm2/g 。
实施例3
本实施例与实施例1相似，不同之处为第一级多孔钽材料孔腔孔径为1000μm-1500μm ，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为6μm-9μm，制备方法类似实施例2，其中材料准备为：将颗粒粒径为3μm -5μm的钽粉、粒径为8μm -12μm的甲基纤维素、直径为5μm-7μm，长为2μm的聚乙二醇酸纤维、聚乙烯醇粉、蒸馏水按照体积比370：150：33：17：1150配制成浆料，用实施例1同样的方法测试，其第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径d6为3μm-5μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为700μm-1100μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积为237.9cm2/g。
实施例4
本实施例与实施例1相似，不同之处为第一级多孔钽材料孔腔孔径为700μm-1000μm ，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为700 nm -900 nm，制备方法类似实施例2，其中材料准备为：将颗粒粒径为30nm-50μm的钽粉、粒径为800nm -1000nm的甲基纤维素、直径为450nm-550nm，长为200nm的聚乙二醇酸纤维、聚乙烯醇粉、蒸馏水按照体积比370：150：33：17：1150配制成浆料，用实施例1同样的方法测试，其第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径d6为370nm-480nm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为600μm-860μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积为1876.5 cm2/g 。
实施例5
本实施例的多孔钽为具有三级孔的多孔材料，材料本体中的第一级多孔钽材料孔腔孔径为300μm-500μm，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为1μm -40μm，在第二级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第三级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第三级多孔钽材料孔腔孔径为100nm-300nm，同级多孔钽材料的孔腔均相互贯通，且各级多孔钽材料的孔腔相互间也彼此贯通。
制备方法类似实施例1，其中在材料准备中，将颗粒粒径为20nm的钽粉、粒径为160nm -380nm的淀粉、粒径为1.5μm -60μm的乙基纤维素、直径为80nm-200nm，长为130nm的聚乳酸纤维、直径为0.8μm-28μm，长为13μm的聚乙二醇酸纤维、聚乙烯醇粉、蒸馏水按照体积比176：78：30：54：21：11：740配制成浆料；超声分散50min，并反复搅拌3h，其他与实施例1类似。
用实施例1同样的方法测试，第三级多孔钽材料孔腔之间、第三级多孔钽材料孔腔与第二级多孔钽材料孔腔及第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为56nm-160nm，第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为0.55μm-23μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为255μm-440μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积为4559.7cm2/g。
实施例6
本实施例的多孔钽为具有三级孔结构的多孔材料，材料本体中的第一级多孔钽材料孔腔孔径为400μm-600μm，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为40μm-60μm，在第二级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第三级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第三级多孔钽材料孔腔孔径为300nm -500nm，同级多孔钽材料的孔腔均相互贯通，且各级多孔钽材料的孔腔相互间也彼此贯通，制备方法类似实施例5。
用实施例1同样的方法测试，第三级多孔钽材料孔腔之间、第三级多孔钽材料孔腔与第二级多孔钽材料孔腔及第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为160nm-270nm，第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为23μm-34μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为340μm-500μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积为4469.9cm2/g。
实施例7
本实施例的多孔钽为具有三级孔材料，材料本体中的第一级多孔钽材料孔腔孔径为500μm-700μm，在第一级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第二级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第二级多孔钽材料孔腔孔径为60μm-100μm，在第二级多孔钽材料孔腔的腔壁上有第三级多孔钽材料孔腔大小的孔腔，第三级多孔钽材料孔腔孔径为500nm -700nm，同级多孔钽材料的孔腔均相互贯通，且各级多孔钽材料的孔腔相互间也彼此贯通。
制备方法类似实施例5，用实施例1同样的方法测试，第三级多孔钽材料孔腔之间、第三级多孔钽材料孔腔与第二级多孔钽材料孔腔及第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为270nm-380nm，第二级多孔钽材料孔腔之间、第二级多孔钽材料孔腔与第一级多孔钽材料孔腔的贯通部截面直径为32μm-53μm，第一级多孔钽材料孔腔之间的贯通部截面直径为460μm -590μm，第一级多孔钽材料孔腔腔壁的比表面积为2095.8cm2/g。
发明人按照上述方法制备的各种多孔钽，在应用于家犬股骨植入实验后，其效果显著，其细胞寄居情况良好，骨组织长入效果良好，特别有利于骨再生、修复。

Claims (9)

1.一种多孔钽，其材料本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，其特征在于：呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级多孔钽材料的孔腔均相互贯通，且各级多孔钽材料的孔腔相互间也彼此贯通，且所述多孔钽的材料本体中最大级多孔钽材料的孔腔的腔壁的比表面积不小于20.3cm2/g。
2.如权利要求1所述的多孔钽，其特征在于：同级多孔钽材料中的孔腔相互间通过贯通部贯通连接，各级多孔钽材料中的孔腔相互间通过贯通部彼此贯通连接。
3.如权利要求2所述的多孔钽，其特征在于：各孔腔相互间连接的贯通部截面直径不小于该贯通部所连接的较小孔腔的孔径的50%。
4.如权利要求1至3任一权利要求所述的多孔钽，其特征在于：最大级多孔钽材料中的孔腔的腔壁内的孔腔孔径为100μm以下。
5.如权利要求1至3任一权利要求所述的多孔钽，其特征在于：最大级多孔钽材料中的孔腔的腔壁内的孔腔孔径为10μm以下。
6.如权利要求1至3任一权利要求所述的多孔钽，其特征在于：最大级多孔钽材料中的孔腔的腔壁内的孔腔孔径为1μm以下。
7.如权利要求1至3任一权利要求所述的多孔钽，其特征在于：所述多孔钽的材料本体按照材料孔径大小分为三级，最小级多孔钽材料的孔腔孔径为纳米级，最大级多孔钽材料的孔腔的孔径为微米级，中间级多孔钽材料的孔腔孔径介于最小级多孔钽材料中的孔腔与最大级多孔钽材料中的孔腔的孔径之间。
8.如权利要求7所述的多孔钽，其特征在于：所述的多孔钽的中间级多孔钽材料的孔腔的孔径为1μm-100μm。
9.如权利要求7或8任一权利要求所述的多孔钽，其特征在于：所述的多孔钽中最大级多孔钽材料的孔腔的孔径为100μm以上并且不大于1500μm。
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