CN108452385B - 一种多孔材料 - Google Patents

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Abstract

一种多孔材料，其材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，在所述腔壁内部有贯通的通道，所有通道在整个材料本体内是连通的，所述腔壁上至少有一种比由所述腔壁围成的所述孔孔径更小的孔，其孔径为40μm以下，该孔既与腔壁上其它的孔贯通，也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内所述通道贯通，其通道等效直径为30μm‑90μm。其制备方法是：用两种高分子丝交叉混编为网，同时灌入多孔材料粉、造孔剂混合制备的浆料，烘干、烧结制备而成。该种多孔材料便于组织液、细胞从多孔金属表面通畅、快速地到达多孔金属的深处，及到达腔壁的各部位，该多孔材料组织再生效果好，制备方法易于保证孔结构，工艺过程及参数易于控制。

Description

一种多孔材料
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的多孔材料。
背景技术
随着社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤等的频繁发生以及局部战争等，造成人们意外伤害剧增，对生物医用植入材料的需求大量增加。实体材料（如金属、陶瓷等）其弹性模量远高于自然骨，植入体内后容易产生应力遮挡效应，使得植入物松动，脱落，影响植入物的稳定性。研究表明，材料的结构特性能明显影响新骨长入的速度，对植入材料进行多孔结构设计，不仅保留了原材料优良的机械强度等性能，还可以通过调整孔径大小和孔隙率等结构特点来改变材料的弹性模量，使其与自然骨相匹配。因此，多孔材料作为骨植入物越来越多地被应用于临床。
尽管人们对多孔医用植入材料进行了大量研究，但目前其骨生长能力仍不理想，目前的多孔材料植入体，其结构为单一孔隙结构，存在着组织液流动不畅，细胞不易到达植入体深处，内部细胞不均匀等问题，甚至会造成部分细胞死亡，骨生长不完全，影响了骨组织再生。
发明内容：
本发明的目的是提供一种再生效果好的医用多孔材料材料。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种多孔材料，包括材料本体，该材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，在所述腔壁内部有贯通的通道，所有通道在整个材料本体内是连通的，所述腔壁上至少有一种比由所述腔壁围成的所述孔孔径更小的孔，该更小的孔的孔径为40μm以下，该种更小的孔既与腔壁上其它的孔贯通，也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内所述通道贯通，其通道等效直径为30μm-90μm，所述通道等效直径是指通道截面积按照圆面积折算的直径。采用本发明所述结构的多孔材料，作为植入体使用时，体内的组织液、细胞从多孔金属表面通畅、快速地到达多孔金属的深处，并能到达腔壁的各部位，且本发明所述的多孔材料具有很强的毛细作用，可以提高多孔材料吸收、传输组织液的能力；也特别有助于细胞的寄居、黏附与生长。
进一步说，本发明所述的多孔材料，所述腔壁上的孔结构是以材料孔径大小进行分级的多级孔结构，分级级数至少两级，上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔均相互贯通，且各级孔相互间也彼此贯通，腔壁上的各级孔也与由腔壁围成的所述孔及腔壁内贯通的所述通道贯通。采用本发明所述的多级孔结构既有助于组织液、细胞流过及细胞的寄居、黏附，又增大了材料的比表面积，有助于承载更多的药物与生长因子，同时也进一步增大了毛细作用。
进一步说，本发明所述的多孔材料，所述腔壁上的孔结构为二级孔结构，最小级孔的孔径小于1μm，它可以显著增大材料的比表面积，能承载大量的药物与生长因子，并特别有助于细胞的黏附。
本发明所述的多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
a. 用制备多孔材料的原材料粉和用于制备孔径为40μm以下的造孔剂制备成浆料，超声分散；
b. 用制备等效直径为30μm-90μm贯通的通道的高分子丝、制备多孔材料的孔的高分子丝按照多孔材料的结构交叉混编成网，混编时，同步灌入a中制备的浆料；
c. 将b中灌入的浆料烘干，形成坯体，将坯体烧结，裂解、挥发高分子材料，然后烧结；
d. 将坯体进行后处理，即制得本发明所述的多孔材料。
对于腔壁上的孔是以材料孔径大小进行分级的多级孔结构的多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
a. 用制备多孔材料的原材料粉和制备多孔材料的所述腔壁上各级孔的造孔剂制备成浆料，超声分散；
b. 用制备等效直径为30μm-80μm贯通的通道的高分子丝、制备多孔材料的孔的高分子丝按照多孔材料的结构交叉混编成网，混编时，同步灌入a中制备的浆料；
c. 将b中灌入的浆料烘干，形成坯体，将坯体烧结，裂解、挥发高分子材料，然后烧结；
d. 将坯体进行后处理，即制得本发明所述的多孔材料。
进一步说，所述多孔材料为多孔金属，多孔金属选自钽、铌、钛、钛合金、不锈钢、钴基合金、镍、镍合金、镁或镁合金中的一种或多种的复合。
进一步说，所述多孔材料为多孔陶瓷，所述多孔陶瓷为多孔生物陶瓷，多孔生物陶瓷选自磷酸钙、生物玻璃中的一种或多种的复合。
本发明的有益效果：
采用本发明提供的多孔材料植入使用时，可以保证体内组织液、细胞有一运输通道，能够通畅、快速地到达多孔材料的深处，本发明提供的多孔材料还具有毛细作用，可以对组织液及细胞产生吸力，便于其流动、迁移，通过各种贯通的孔到达腔壁的各部位，实现细胞、组织液在多孔材料本体内的快速、均匀分布；本发明所供的多孔材料特别有利于细胞寄居、黏附，特别是本发明多级孔的合理设计使其更为有利，毛细作用更强，并能贮存大量生长因子与药物，本发明合理设计的结构特征共同作用有利地促进了骨再生。
本发明提供的该种多孔材料的制备方法，易于保证腔壁内部所有通道连通及孔贯通，孔结构可控性好，工艺过程与参数便于控制，由此制得的产品性能优异，特别适宜于作为医用植入材料。
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为本发明多孔材料结构单元的结构示意图。
图2为本发明制备方法中两种高分子丝交叉混编的网的单元结构示意图。
图3为图2的A向视图。
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。
图1中，1为多孔材料的孔，2为多孔材料的围成孔的腔壁，3为多孔材料孔的腔壁中的通道，4为多孔材料孔的腔壁上的孔，该孔通过贯通部5与其他孔或通道贯通。
图2、图3中，6为生成多孔材料腔壁内贯通的通道所用的高分子丝，7为形成多孔材料的孔所用的高分子丝。
实施例1
本实施例的多孔材料为多孔羟基磷灰石，包括材料本体，该材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，孔径为310μm，在所述腔壁内部有贯通的通道，所有通道在整个材料本体内是连通的，所述腔壁上有一种比由腔壁围成的所述孔孔径更小的孔，该更小的孔的孔径为10μm，该种更小的孔既与腔壁上的其它的孔贯通，也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内的所述通道贯通。 所述腔壁内部贯通的通道等效直径为30μm，通道等效直径是指通道截面积按照圆面积折算的直径。该多孔羟基磷灰石制备方法如下：
（1）取0.4g聚乙烯醇，加入60ml蒸馏水中，加热至150℃，使聚乙烯醇完全溶解得到聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液；将粒径为50nm的原料粉羟基磷灰石粉30g，粒径为13μm的造孔剂聚甲基丙烯酸甲酯粉9g，粒径为10μm的羟甲基纤维素钠0.4g，加入前述聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液中，用磁力搅拌器在500rpm-600rpm下搅拌30min，同时超声分散，制成浆料。
（2）取直径为40μm、400μm的棉纱线，按照图2、图3所示结构将直径为40μm、400μm的棉纱线交叉混编，其中，直径为40μm的棉纱线作为图2、图3中的高分子丝6，直径为400μm的棉纱线作为图2、图3中的高分子丝7，直径为40μm的棉纱线在长宽高三个方向的间距为800μm，而400μm的棉纱线位于直径为40μm的棉纱线中间位置。每编织一层棉纱线，就灌入一层（1）中制备的浆料，浆料水平方向尺寸用模具控制在40mm×40mm，然后再编织下一层，直至高度达到15mm为止，形成含有两种棉纱线编织网与浆料混合的坯体。
（3）将（2）中制备的坯体在室温（19℃-26℃）下放置24h，在真空干燥箱中60℃下干燥3h，然后放入真空炉中，真空度取10-3-10-4Pa，以2℃/min的加热速度加热至200℃，再以1.5℃/min的加热速度加热至270℃，再以1℃/min的加热速度加热至420℃，保温2h。
（4）在真空炉中，真空度取10-3-10-4Pa，以4℃/min的加热速度加热至1220℃，保温3h，然后以3℃/min的降温速度冷却至室温，即制得本实施例的多孔羟基磷灰石。
按照GB/T 31930-2015用Instron 8801 电液伺服疲劳试验机进行压缩试验，样品取Φ4mm×6mm，试验温度26℃，测得压缩强度为4.1MPa。
该多孔羟基磷灰石可用于制作骨植入体。
实施例2
本实施例的多孔材料为多孔钛，包括材料本体，该材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，孔径为430μm，在腔壁内部有贯通的通道，所有通道在整个材料本体内是连通的，所述腔壁上有一种比由腔壁围成的所述孔更小的孔的孔径为38μm，该种更小的孔既与腔壁上的其它的孔贯通，也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内的所述通道贯通。 所述腔壁内部贯通的通道等效直径为60μm，该多孔钛制备方法如下：
（1）取0.6g聚乙烯醇，加入40ml蒸馏水中，加热至140℃，使聚乙烯醇完全溶解得到聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液；将粒径为40nm、纯度为99.9%的原料粉钛粉28g，粒径为50μm的造孔剂尿素3g，粒径为10μm的羟甲基纤维素钠0.2g，加入前述聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液中，用磁力搅拌器在500rpm-600rpm下搅拌30min，并保持温度在150℃，同时超声分散，制成浆料。
（2）将直径为75μm、550μm的聚氨酯丝分别放入1%的羧甲基纤维素溶液浸泡15分钟，取出晾干，然后用等离子处理仪对聚氨脂丝进行表面处理，其中真空度取20Pa，功率取960W、处理时间为5min。
（3）按照图2、图3所示结构将直径为75μm、550μm的聚氨酯丝交叉混编，其中，直径为75μm的聚氨酯丝作为图2、图3中的高分子丝6，直径为550μm的聚氨酯丝作为图2、图3中的高分子丝7，直径为75μm的聚氨酯丝在长宽高三个方向的间距为850μm，而550μm的聚氨酯丝位于直径为75μm的聚氨酯丝中间位置。每编织一层聚氨酯丝，就灌入一层（1）中制备的浆料，浆料水平方向尺寸用模具控制在40mm×40mm，然后再编织下一层，直至高度达到15mm为止，形成含有两种聚氨酯丝编织网与浆料混合的坯体。
（4）将（3）中制备的坯体在室温（19℃-26℃）下放置24h，在真空干燥箱中60℃下干燥3h，然后放入真空炉中，真空度取10-3-10-4Pa，以2℃/min的加热速度加热至200℃，再以1.5℃/min的加热速度加热至270℃，再以1℃/min的加热速度加热至400℃，再以2℃/min的加热速度加热至600℃，保温2h。
（5）在上述真空炉中保持真空度10-4Pa，以5℃/min的加热速度加热至980℃，保温1h，再以3℃/min的加热速度加热至1360℃，保温3h，然后随炉冷却，再进行常规的后续热处理，即制得本实施例的多孔钛。
按照GB/T 31930-2015用Instron 8801 电液伺服疲劳试验机进行压缩试验，样品取Φ4mm×6mm，试验温度26℃，测得压缩强度为24.1MPa，弹性模量为1.28GPa。
该多孔钛可用于制作骨植入体。
实施例3
本实施例的多孔金属为多孔钽，包括材料本体，该材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，孔径为550μm，所述腔壁内部有贯通的通道，所有通道在在整个材料本体内是连通的，腔壁上有两级比由腔壁围成的所述孔孔径更小的孔，同级孔均相互贯通，且各级孔相互间也彼此贯通，其中直径大的一级孔孔径为20μm，该两级更小的孔也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内的所述通道贯通，各级孔也与由腔壁围成的所述孔及腔壁内的所述贯通的通道贯通。在孔径为20μm孔的腔壁上还有直径更小的孔，即最小级孔，其孔径为400nm，所述腔壁内的贯通的通道等效直径为90μm，制备方法如下：
（1）取0.6g聚乙烯醇，加入40ml蒸馏水中，加热至140℃，使聚乙烯醇完全溶解得到聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液；将粒径为20nm、纯度为99.9%的原材料粉钽粉100g，粒径为25μm的造孔剂氯化铵3g，粒径为500nm的造孔剂淀粉1g，粒径为10μm的聚丙烯酸胺0.2g，加入聚乙烯醇与蒸馏水的混合溶液中，用磁力搅拌器在500rpm-600rpm下搅拌30min，并用加热装置使其保持温度在150℃，同时超声分散，制成浆料。
（2）将直径为115μm、700μm的聚氨酯丝分别放入1%的羧甲基纤维素溶液浸泡15分钟，取出晾干，然后用等离子处理仪对聚氨脂丝进行表面处理，其中真空度取20Pa，功率取960W、处理时间为5min。
（3）按照图2、图3所示结构将直径为115μm、700μm的聚氨酯丝交叉混编，其中，直径为115μm的聚氨酯丝作为图2、图3中的高分子丝6，直径为700μm的聚氨酯丝作为图2、图3中的高分子丝7，直径为115μm的聚氨酯丝在长宽高三个方向的间距为1050μm，而700μm的聚氨酯丝位于直径为115μm的聚氨酯丝中间位置。每编织一层聚氨酯丝，就灌入一层（1）中制备的浆料，浆料水平方向尺寸控制在40mm×40mm，然后再编织下一层，直至高度达到21mm为止，形成含有两种聚氨酯丝编织网与浆料混合的坯体。
（4）将（3）中制备的坯体在室温（19℃-26℃）下放置24h，在真空干燥箱中60℃下干燥3h，然后放入真空炉中，真空度取10-3-10-4Pa，以2℃/min的加热速度加热至200℃，再以1.5℃/min的加热速度加热至270℃，再以1℃/min的加热速度加热至400℃，再以2℃/min的加热速度加热至600℃，保温2h。
（5） 在上述真空炉中保持真空度10-4Pa，以5℃/min的加热速度加热至1180℃，保温1h，再以4℃/min的加热速度加热至1750℃，保温2h，再以2℃/min的加热速度加热至2050℃，保温3h，然后随炉冷却，再进行常规的后续热处理，即制得本实施例的多孔钽。
按照GB/T 31930-2015用Instron 8801 电液伺服疲劳试验机进行压缩试验，样品取Φ4mm×6mm，试验温度26℃，测得压缩强度为25.4MPa，弹性模量为1.43GPa。
按照本实施例制备方法制备多孔钽为10mm×10 mm×60 mm的样品，在25℃下竖直浸入一杯中，杯中有BME培养液，培养液中加入成骨组织细胞，多孔钽浸入培养液深度为10mm，浸入后发现，在毛细力作用下，培养液仅用33秒就到达多孔钽顶部，且整体充满满培养液，三天后观察，细胞均匀布满在多孔钽腔壁表面。
将本实施例制备的多孔钽制成Φ6×8mm大小的颗粒，经γ-射线消毒后密封包装。选取骨龄成熟的普通杂种犬3只，雌雄不分，体重13-15Kg，用3%戊巴比妥钠在腹腔注射麻醉动物，全麻后，剔除后腿股骨处毛发，切开股骨外皮肤、皮下组织、肌肉，剥离骨膜，在股骨近端上钻孔，将上述多孔钽颗粒塞入，然后分层缝合。术毕肌注青霉素预防切口感染。术后12周处死，取下植入多孔钽的股骨，尽量去除表面的软组织，将试验材料固定、包埋、切片，片厚4μm，Masson三色染色法观察多孔钽内部新生骨情况。观察结果表明，本实施例制备的多孔钽术后12周骨组织全部长满多孔钽孔隙体积，且分布均匀。

Claims (6)

1.一种多孔材料，包括材料本体，该材料本体包括孔及围成孔的腔壁，所述孔是贯通的，其特征在于：在所述腔壁内部有贯通的通道，所有通道在整个材料本体内是连通的，所述腔壁上至少有一种比由所述腔壁围成的所述孔孔径更小的孔，该更小的孔的孔径为40μm以下，该种更小的孔既与腔壁上其它的孔贯通，也与由腔壁围成的所述孔、腔壁内所述通道贯通，其通道等效直径为30μm-90μm；所述腔壁上的孔结构是以材料孔径大小进行分级的多级孔结构，分级级数至少两级，上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔均相互贯通，且各级孔相互间也彼此贯通，腔壁上的各级孔也与由腔壁围成的所述孔及腔壁内贯通的所述通道贯通。
2.如权利要求1所述的多孔材料，其特征在于：所述腔壁上的孔结构为二级孔结构，最小级孔的孔径小于1μm。
3.如权利要求1所述的多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
a. 用制备多孔材料的原材料粉和用于制备孔径为40μm以下的造孔剂制备成浆料，超声分散；
b. 用制备等效直径为30μm-90μm贯通的通道的高分子丝、制备多孔材料的孔的高分子丝按照多孔材料的结构交叉混编成网，混编时，同步灌入a中制备的浆料；
c. 将b中灌入的浆料烘干，形成坯体，将坯体烧结，裂解、挥发高分子材料，然后烧结；
d. 将坯体进行后处理，即制得所述的多孔材料。
4.如权利要求1所述的多孔材料的制备方法，包括如下步骤：
a. 用制备多孔材料的原材料粉和制备多孔材料的所述腔壁上各级孔的造孔剂制备成浆料，超声分散；
b. 用制备等效直径为30μm-80μm贯通的通道的高分子丝、制备多孔材料的孔的高分子丝按照多孔材料的结构交叉混编成网，混编时，同步灌入a中制备的浆料；
c. 将b中灌入的浆料烘干，形成坯体，将坯体烧结，裂解、挥发高分子材料，然后烧结；
d. 将坯体进行后处理，即制得所述的多孔材料。
5.如权利要求1或2所述的多孔材料，其特征在于：所述多孔材料为多孔金属，多孔金属选自钽、铌、钛、钛合金、不锈钢、钴基合金、镍、镍合金、镁或镁合金中的一种或多种的复合。
6.如权利要求1或2所述的多孔材料，其特征在于：所述多孔材料为多孔生物陶瓷，多孔生物陶瓷选自磷酸钙、生物玻璃中的一种或多种的复合。
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