CN110877976A - 一种变截面高强度可降解棒材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变截面高强度可降解棒材及其制造方法，所述棒材采用钙镁硅酸盐经生物墨水制备、冷冻干燥定型、高温烧结而成，棒材笔直，由圆柱段和过渡段组成，圆柱段笔直，截面均匀，过渡段为圆台。棒材有高的力学强度和良好的生物活性，棒材在体内可持续吸收，且吸收降解过程有磷酸盐层生成，有利于骨传导。本发明高强度可降解棒材的变截面设计，大大减轻了棒材的重量，减少了材料成本。

Description

一种变截面高强度可降解棒材及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的器械及其制造方法，尤其是涉及一种变截面高强度可降解棒材及其制造方法。
背景技术
目前，髓内钉是治疗直形骨折和具有轻微弧度骨折的良好方法。当前临床应用的髓内钉主要由不锈钢、钛合金制成，这些合金的力学强度与人体骨不匹配，会产生应力遮挡效应，使得骨折愈合治疗效果不佳甚至失败。同时，这类髓内钉植入到体内后会缓慢释放毒性离子或粒子，引发慢性炎症，导致不易痊愈，生物活性差。此外，这类髓内钉在体内不会降解，需要二次手术将其取出，这会引起并发症，而且增加患者的经济负担和痛苦。可吸收髓内钉可解决上述部分问题，但目前临床可吸收器械基本是聚合物材料制造，如聚乳酸、聚乙烯醇、壳聚糖等，强高低，力学性能难以满足要求，吸收过程产生的酸性物质也会引起排异反应。而且，目前制造的髓内钉结构单一，截面尺寸相同，但根据受力分析知道，髓内钉在体内时，各个位置的力是不同的，因此如果能根据受力情况，制造相应的髓内钉，就可以大大减轻髓内钉的重量，同时又能满足力学要求。
因此，需要制造一种变截面高强度可降解的生物活性髓内钉植入物，随着骨头的愈合，该植入物在体内逐渐降解，无毒，有很好的生物活性，能够促进骨头愈合，同时该植入物重量轻。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种变截面高强度可降解棒材及其制造方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种变截面高强度可降解棒材，所述棒材笔直，由2部分组成，为圆柱段和过渡段，所述圆柱段笔直，截面均匀，所述过渡段为圆台，采用生物活性材料制成。所述生物活性材料是钙镁硅酸盐，镁在钙镁硅酸盐中的质量百分数为0.22~3.2%。通过化学沉淀法在制备硅酸钙粉体时，按比例加入一定量的镁离子水溶液，用镁替代钙，最后得到钙镁硅酸盐。
优选的，所述的圆柱段可以是2个或者更多，圆柱段可以2个或者更多不同的直径。
优选的，所述的过渡段轴向长度为0.5-4mm，圆台小圆直径为大圆直径的1/4~7/8。
优选的，本发明涉及上述变截面高强度可降解棒材的制造方法，包括以下步骤：
1）将生物材料与聚乙烯醇，聚丙烯酸，Surfynol和去离子水均匀混合，得到分散均匀的生物墨水。
2）根据材料的收缩率计算得到毛坯棒材每个部分的尺寸，定做相应的外轮廓，然后将各个外轮廓组合到一起形成一个外模具。
3）把步骤1）中的生物墨水慢慢注入到外模具中，然后冷冻2-24小时。
4）把冷冻后的样品冷冻干燥，脱模后得到棒材毛坯。
5）将棒材毛坯放到高温炉中高温煅烧，冷却后得到变截面高强度可降解棒材。
优选的，聚乙烯醇的浓度为4%~18%，生物墨水中所有材料的质量百分比含量为45~63%的生物材料、1~4%的聚乙烯醇、0.4~1%的聚丙烯酸、0.4~1%的Surfynol，剩余量为去离子水。
优选的，所述的外轮廓可以相互之间按需求随意组合，内部空心，内壁光滑，样品冷冻干燥完后，能够使外轮廓与生物墨水分离，可以是玻璃管，石英管等。
进一步的，所述外轮廓的壁厚为1-3mm。
更进一步的，通过改变外轮廓的内径，就能直接改变棒材毛坯的直径，从而影响最后棒材的尺寸，而外轮廓的尺寸很容易改变，因此可以很容易制造任意尺寸的棒材。
优选的，所述的冷冻过程为速冻，速冻温度为零下60oC-80oC。
优选的，所述的煅烧温度为1100oC-1200oC，升温速度为1-3 oC/min，保温时间2-6小时。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、本发明可以制造高强度的生物活性可降解棒材，弥补了可降解聚合物材料的不足，且其具有很好的笔直度。
二、通过变截面的设计，在满足棒材力学强度的前提下，能够减轻棒材的重量，减少原材料的投入，有很好的经济效益和实用性。
三、本发明的制造变截面高强度可降解棒材的方法操作方便，制造成本低。
四、本发明制造的变截面高强度可降解棒材在体内可持续吸收，且吸收降解过程有磷酸盐层生成，有利于骨传导。
附图说明
图1是本发明的2段式变截面高强度可降解棒材的结构示意图；
图2是本发明的2段式变截面高强度可降解棒材制造用的外模具结构示意图；
图3是本发明的2段式变截面高强度可降解棒材灌注过程示意图；
图4是本发明的3段式变截面高强度可降解棒材的结构示意图；
图5是本发明的3段式变截面高强度可降解棒材制造用的外模具结构示意图；
图6是本发明的3段式变截面高强度可降解棒材灌注过程示意图；
图7是本发明的变截面高强度可降解棒材的制造方法流程示意图；
其中：1为圆柱段，2为过渡段。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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限于下述的实施例，本发明所属领域的技术人员还可以对下述实施方案进行变更和修改，因此，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
如图1和图4所示，本发明一种变截面高强度可降解棒材，所述棒材笔直，由2部分组成，包括圆柱段1和过渡段2，所述圆柱段笔直，截面均匀，所述过渡段为圆台，采用生物活性材料制成。所述生物活性材料是钙镁硅酸盐，镁在钙镁硅酸盐中的质量百分数为0.22~3.2%。通过化学沉淀法在制备硅酸钙粉体时，按比例加入一定量的镁离子水溶液，用镁替代钙，最后得到钙镁硅酸盐。
上述的圆柱段可以是2个或者更多，圆柱段可以2个或者更多不同的直径。
上述的过渡段轴向长度为0.5-4mm，圆台小圆直径为大圆直径的1/4~7/8。
如图7所示，是本发明的变截面高强度可降解棒材的制造方法流程示意图，包括以下步骤：
1）将生物材料与聚乙烯醇，聚丙烯酸，Surfynol和去离子水均匀混合，得到分散均匀的生物墨水。
2）根据材料的收缩率计算得到毛坯棒材每个部分的尺寸，定做相应的外轮廓，然后将各个外轮廓组合到一起形成一个外模具。
3）把步骤1）中的生物墨水慢慢注入到外模具中，然后冷冻2-24小时。
4）把冷冻后的样品冷冻干燥，脱模后得到棒材毛坯。
5）将棒材毛坯放到高温炉中高温煅烧，冷却后得到变截面高强度可降解棒材。
聚乙烯醇的浓度为4%~18%，生物墨水中所有材料的质量百分比含量为45~63%的生物材料、1~4%的聚乙烯醇、0.4~1%的聚丙烯酸、0.4~1%的Surfynol，剩余量为去离子水。
上述的外轮廓可以相互之间按需求随意组合，内部空心，内壁光滑，样品冷冻干燥完后，能够使外轮廓与生物墨水分离，可以是玻璃管，石英管等。
进一步的，上述外轮廓的壁厚为1-3mm。
更进一步的，通过改变外轮廓的内径，就能直接改变棒材毛坯的直径，从而影响最后棒材的尺寸，而外轮廓的尺寸很容易改变，因此可以很容易制造任意尺寸的棒材。
上述冷冻过程为速冻，速冻温度为零下60oC-80oC。
上述煅烧温度为1100oC-1200oC，升温速度为1-3 oC/min，保温时间2-6小时。
实施例1
1）按质量百分比为60%的镁含量为1.4%的钙镁硅酸盐粉体、1.9%的聚乙烯醇、0.5%的聚丙烯酸、0.5%的Surfynol和37.1%的去离子水配置均匀的生物墨水。
2）根据钙镁硅酸盐生物墨水的收缩率和最后所需要的棒材尺寸，定做内径为7.7mm，壁厚为1.2mm的石英管外轮廓1，内径为10.3mm，壁厚为1.4mm的圆柱段和内径为7.7mm过渡段一起的石英管外轮廓2，将外轮廓2和外轮廓1组合起来形成外模具，如图2所示。
3）把外模具竖起来，直径大的一端在下面，然后把步骤1）中配置好的生物墨水由下往上注入到外模具中，即从外模具内径大的一端注入，如图3所示，直到从内径小的另一端流出一段生物墨水后停止注入，把外模具的两端刮平，保证生物墨水没有在外模具外侧，然后将含有生物墨水的外模具在零下70oC的环境中冷冻4小时。
4）打开冷冻干燥机，当机内温度为零下70oC时，把步骤3）中冷冻后的样品放入冷冻干燥机，进行真空干燥，等冷冻干燥机内温度达到25oC时，关闭机器，取出样品，最后从外模具内径大的一端取出棒材毛坯。
5）把棒材毛坯放到高温炉中，经1150oC高温煅烧4小时，升温速度为1oC/min，冷却后得到一端直径为6mm，一端直径为8mm，长为130mm的变截面高强度可降解钙镁硅酸盐棒材，如图1所示。
实施例2
1）按质量百分比为60%的镁含量为1.4%的钙镁硅酸盐粉体、1.9%的聚乙烯醇、0.5%的聚丙烯酸、0.5%的Surfynol和37.1%的去离子水配置均匀的生物墨水。
2）根据钙镁硅酸盐生物墨水的收缩率和最后所需要的棒材尺寸，定做2根内径为7.7mm，壁厚为1.2mm的石英管外轮廓1，2根内径为10.3mm，壁厚为1.4mm的圆柱段和内径为7.7mm过渡段一起的石英管外轮廓2，将2根外轮廓2直径相同的一端先组合好，然后直径小的两端分别与外轮廓1组合起来形成外模具，如图5所示。
3）把外模具竖起来，然后把步骤1）中配置好的生物墨水由下往上沿着外模具内部的孔道注入到外模具中，如图6所示，直到从另一端流出一段生物墨水后停止注入，把外模具的两端刮平，保证生物墨水没有在外模具外侧，然后将含有生物墨水的外模具在零下80oC的环境中冷冻6小时。
4）打开冷冻干燥机，当机内温度为零下80oC时，把步骤3）中冷冻后的样品放入冷冻干燥机，进行真空干燥，等冷冻干燥机内温度达到25oC时，关闭机器，取出样品，最后拆分外模具，得到棒材毛坯。
5）把棒材毛坯放到高温炉中，经1150oC高温煅烧4小时，升温速度为1oC/min，冷却后得到中间部分直径为8mm，两边直径各为6mm，长为150mm的变截面高强度可降解钙镁硅酸盐棒材，如图4所示。
上述实施例制备得到的棒材在满足力学强度的前提下，减轻了棒材的重量，减少了材料的消耗，而且，在体内能够降解，具有很好的生物活性。

Claims (9)

1.一种变截面高强度可降解棒材，其特征在于，所述棒材笔直，由两部分组成，分别为圆柱段和过渡段；所述圆柱段笔直，截面均匀，所述过渡段为圆台，采用生物活性材料制成，所述生物活性材料是钙镁硅酸盐，镁在钙镁硅酸盐中的质量百分数为0.22~3.2%。
2.根据权利要求1所述的变截面高强度可降解棒材，其特征在于，所述的圆柱段有两个或者更多，且为不等径。
3.根据权利要求1所述的变截面高强度可降解棒材，其特征在于，所述的过渡段轴向长度为0.5-4mm，圆台小圆直径为大圆直径的1/4~7/8。
4.一种制造权利要求1所述的变截面高强度可降解棒材的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将生物材料与聚乙烯醇，聚丙烯酸，Surfynol和去离子水均匀混合，得到分散均匀的生物墨水；
2）根据材料的收缩率计算得到毛坯棒材每个部分的尺寸，定做相应的外轮廓，然后将各个外轮廓组合到一起形成一个外模具；
3）把步骤1）中的生物墨水慢慢注入到外模具中，然后冷冻2-24小时；
4）把冷冻后的样品冷冻干燥，脱模后得到棒材毛坯；
5）将棒材毛坯放到高温炉中高温煅烧，冷却后得到变截面高强度可降解棒材。
5.根据权利要求4所述的变截面高强度可降解棒材的制造方法，其特征在于，所述的外轮廓相互之间按需求组合，内部空心，内壁光滑；样品冷冻干燥完后，能够使外轮廓与生物墨水分离。
6.根据权利要求4所述的变截面高强度可降解棒材的制造方法，其特征在于，所述的外轮廓采用玻璃管或石英管。
7.根据权利要求4所述的变截面高强度可降解棒材的制造方法，其特征在于，所述的外轮廓壁厚为1-3mm。
8.根据权利要求4所述的变截面高强度可降解棒材的制造方法，其特征在于，所述的冷冻为速冻，速冻温度为零下60oC-80oC。
9.根据权利要求4所述的变截面高强度可降解棒材的制造方法，其特征在于，所述的煅烧温度为1100oC-1200oC，升温速度为1-3 oC/min，保温时间2-6小时。
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