CN111359009B

CN111359009B - 具有生物活性功能多孔钽植入物及加工工艺

Info

Publication number: CN111359009B
Application number: CN202010219791.2A
Authority: CN
Inventors: 魏崇斌; 李新宇
Original assignee: Tianyan Medical Equipment Co ltd
Current assignee: Tianyan Medical Equipment Co ltd
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: CN111359009A

Abstract

本发明公开具有生物活性功能多孔钽植入物及其加工工艺，包括：三维多孔钽植入材料、原位生长膜层，原位生长膜层原位生长在三维多孔钽植入材料表面。具有生物活性功能多孔钽植入物及加工工艺，包括酸洗预处理、微弧氧化、水热处理。经过试验验证，该原位生长膜层能够有效赋予三维多孔钽植入材料生物活性功能。本发明中多孔钽植入物宏观孔径和微观孔径并存，多孔孔壁上微弧氧化膜层中的微孔可以为骨长入提供锚定点，同时有效的增大植入材料的比表面积，使得植入物在植入早期能够快速实现骨诱导和骨整合，通过本发明可以应用多种骨科植入材料，在高端骨科植入假体上具有光明的应用前景。

Description

具有生物活性功能多孔钽植入物及加工工艺

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体是具有生物活性功能多孔钽植入物及加工工艺。

背景技术

骨科钽植入物需要无细胞毒性、孔隙率高，孔隙分布均匀等特性，现有技术已能实现，例如一种医用多孔钽金属材料(专利公开号：CN105177523A)，其公开的多孔钽金属材料孔隙率高，且孔隙均一，为互相连通的多孔结构，孔隙死腔少，与人体松质骨相似，可促进骨长入，可应用于体内多部位的骨创伤及骨坏死后骨缺损的修复；一种多孔钽棒及其制备方法(专利公开号：CN109806032A)，其公开的一种3D打印多孔钽棒，多孔分布均匀且可控，多孔钽棒抗压强度为120～180MPa，弹性模量为10～20GPa，孔隙率为75～85％。因此，目前已将多孔钽加工成各种植入假体，并应用于临床。

但是，现有技术中的多孔钽植入物生物活性效果都差强人意。多孔钽与骨的成分不同，在植入早期不能与骨形成生物结合，也没有促进新骨形成的能力。目前表面改性生物功能化三维多孔钽存在以下问题：(1)传统的线性喷涂方法难以均匀表面改性三维多孔钽；(2)由于三维多孔结构，改变了多孔金属材料的电阻和其它性质，传统电化学改性方法的电参数和电解液的化学成分，已不能改性三维多孔钽。因此，开发出具有生物活性功能的多孔钽植入物是重要的研发方向。

发明内容

本发明的目的在于提供具有生物活性功能多孔钽植入物及加工工艺，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

具有生物活性功能多孔钽植入物，所述多孔钽植入物包括：三维多孔钽植入材料、原位生长在三维多孔钽植入材料表面的原位生长膜层。

进一步地，所述三维多孔钽植入材料为椎间融合器、人工椎体、髋臼杯、髋臼补块中的任意一种，所述椎间融合器、人工椎体为多孔结构，所述髋臼杯、髋臼补块的表面为多孔结构。

进一步地，所述三维多孔钽植入材料为钽胫骨平台，所述钽胫骨平台与胫骨截骨面接触部分为多孔结构。

进一步地，所述椎间融合器的高度为4～15mm，结构孔的内切圆直径为4～10mm，外接圆直径为10～30mm，上下端面夹角度0～15°。

进一步地，所述人工椎体的高度为15～200mm，结构孔的内切圆直径为4～10mm，外接圆直径为8～30mm，上下端面夹角度0～15°。

进一步地，所述髋臼杯的有效球形外径为36～72mm，髋臼高度为22～50mm。

进一步地，所述多孔结构的孔径为200～1500μm，丝径为200～1000μm，孔隙率为30％～90％；所述多孔结构为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构中的一种或几种。

进一步地，所述原位生长膜层包括钙、磷元素；根据权利要1所述的具有生物活性功能多孔钽植入物,所述原位生长膜层厚度为0.01～10μm，原位生长膜层表面包括孔径为0.01～2μ m的微孔，孔隙率为2％～25％。

具有生物活性功能多孔钽植入物的加工工艺，其特征在于：包括步骤：对三维多孔钽植入材料进行酸洗处理；将预处理后的三维多孔钽植入材料浸没在电解液，进行微弧氧化处理；对微弧氧化处理后的三维多孔钽植入材料进行水热处理，得到具有生物活性的多孔钽植入物。

进一步地，包括步骤：

S1：预处理：对三维多孔钽植入材料进行酸洗处理，酸洗时间为1～5分钟，酸洗结束后，依次采用丙酮和去离子水超声清洗5～30min，烘干备用；

S2：微弧氧化：将预处理后的三维多孔钽植入材料浸没在电解液，进行微弧氧化处理，在三维多孔钽植入材料表面生成原位生长膜层；氧化电压为200～700V，脉冲频率为100～1500 Hz，峰值电流设置为10～400A，氧化时间为1～30min；

S3：水热处理：对微弧氧化后的三维多孔钽植入材料采用去离子水进行超声清洗，在50～100℃的条件下,将微弧氧化处理后的三维多孔钽植入材料浸没在8mol/L的碱性溶液中，持续12～24小时，最后去离子水超声清洗，得到具有生物活性的多孔钽植入物。

进一步地，S1步骤中，酸洗液包括浓度为40％的氢氟酸、浓度为68％的硝酸和水，氢氟酸、硝酸、水的体积配比为(2～5)： (8～10)：(90～85)。

进一步地，S2步骤中，电解液中钙元素的浓度记为m mol/L，磷元素的浓度记为nmol/L，当0.01≤m＜0.2时，(0.1m+0.015) ≤n＜0.05；当0.2≤m≤0.8时，0.075≤n≤m/0.875。

进一步地，所述电解液中钙源为乙酸钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙、柠檬酸钙、乳酸钙和氧化钙的一种或几种。

进一步地，所述电解液中磷源为甘油磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、六偏磷酸钠和聚磷酸钠中的一种或几种。

进一步地，所述电解液中辅助起弧的电解质为EDTA-2Na、硅酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种。

进一步地，所述电解液pH值为11～14，温度为10℃～20℃。所述三维多孔钽植入材料采用粉末冶金法、气相沉积法、增材制造技术中的一种或几种方法制备而成。

有益效果：本发明中的原位生长膜中包含生物活性物质，因此使得原位生长膜层具有骨诱导效果。上述具有生物活性功能的多孔钽植入物，其宏观孔径和微观孔径并存，多孔孔壁上微弧氧化膜层中的微孔可以为骨长入提供锚定点，同时有效的增大植入材料的比表面积，使得植入物在植入早期能够快速实现骨诱导和骨长入，在高端骨科植入假体上具有光明的应用前景。经过试验验证，该原位生长膜层能够有效赋予三维多孔钽植入材料生物活性功能。

应用本发明的技术方案，预处理能够去除三维多孔钽植入材料表面的杂质和污染层，优化表面活化处理效果，提高了其表面及孔内的氧化能力，进而有利于表面处理的进行；为了尽可能提高生物活性物质在电解液中的游离能力，微弧氧化电解液的功能元素包括钙磷，微弧氧化能够使原位生长膜厚度易控，其中的生物活性元素比例也相对合理；为了提高生物活性物质在原位生长膜层中的分布均匀性和稳定性，水热处理过程能够使原位生长膜层中的钙磷离子在形成羟基磷灰石结构的同时生物活性物质也在膜层中迁移，进而得到结构稳定的具有生物活性功能多孔钽植入物。

本发明将生物惰性的三维多孔钽植入材料处理成具有生活活性的多孔钽植入物；本发明的多孔钽生物活性膜层是由多孔材料基体原位生成，与基体结合强度高；通过本发明可以制备多种骨科植入材料，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1多孔钽植入物表面扫描电镜图；

图2为本发明实施例1的X射线能谱图；

图3为对实施例1进行体外生物活性实验后的表面扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

生物活性功能多孔钽椎间融合器的制备步骤：

利用三维多孔钽椎间融合器作为实施例1的改性对象，该椎间融合器的高度为8mm，椎间融合器为多孔结构，该椎间融合器具有一个中心孔，中心孔的内切圆直径为8mm，外接圆直径为20mm，上下端面夹角度8°。对椎间融合器进行酸洗处理，所采用的酸洗液包括氢氟酸、硝酸和水；氢氟酸浓度为40％，硝酸浓度为68％，氢氟酸、硝酸、水的体积配比为5：8：87；酸洗时间为3分钟。对酸洗后的椎间融合器植入材料依次采用丙酮和去离子水超声清洗19min，超声清洗后，对椎间融合器进行微弧氧化处理，电解液包括钙、磷元素，钙源为乙酸钙、磷酸二氢钙、甘油磷酸钙；磷源为甘油磷酸钠。辅助起弧的电解质为硅酸钠，电解液pH值为12，电解液温度为10℃～20℃。氧化电压为550V，脉冲频率为900Hz，峰值电流设置为220A，氧化时间为20min；将微弧氧化后的椎间融合器采用去离子水进行超声振动处理，随后在80℃的条件下,将椎间融合器浸没在8mol/L的氢氧化钠溶液中，持续20小时，水热处理后，利用去离子水超声清洗，得到生物活性功能多孔钽椎间融合器。

实施例2：

生物活性功能多孔钽人工椎体的制备步骤：

利用人工椎体作为实施例2的改性对象，该人工椎体的高度为50mm，该人工椎体为多孔结构，该人工椎体具有一个中心孔，中心孔的内切圆直径为6mm，外接圆直径为20mm，上下端面夹角度8°。对人工椎体进行酸洗处理，所采用的酸洗液包括氢氟酸、硝酸和水；氢氟酸浓度为40％，硝酸浓度为68％，氢氟酸、硝酸、水的体积配比为2：8：90；酸洗时间为2分钟。对酸洗后的人工椎体依次采用丙酮和去离子水超声清洗5min，超声清洗后，对人工椎体进行微弧氧化处理，电解液包括钙、磷元素，钙源为柠檬酸钙；磷源为磷酸氢二钠、六偏磷酸钠。辅助起弧的电解质为氢氧化钾，电解液pH值为11，电解液温度为10℃。氧化电压为200V，脉冲频率为120Hz，峰值电流设置为15A，氧化时间为1min；对微弧氧化后的人工椎体采用去离子水进行超声振动处理，随后在50℃的条件下,将人工椎体浸没在5mol/L的氢氧化钾溶液中，持续12小时，水热处理后，利用去离子水超声清洗，得到生物活性功能多孔钽人工椎体。

实施例3：

生物活性功能多孔钽髋臼杯的制备步骤：

利用髋臼杯作为实施例3的改性对象，该髋臼杯的表面结构为多孔结构，髋臼杯球形外径为50mm，髋臼高度为36mm。对髋臼杯进行酸洗处理，所采用的酸洗液包括氢氟酸、硝酸和水；氢氟酸浓度为40％，硝酸浓度为68％，氢氟酸、硝酸、水的体积配比为5：10：85；酸洗时间为5分钟。对酸洗后的髋臼杯依次采用丙酮和去离子水超声清洗30min，超声清洗后，对髋臼杯进行微弧氧化处理，电解液包括钙、磷元素，钙源为磷酸二氢钙；磷源为聚磷酸钠。辅助起弧的电解质为EDTA-2Na，电解液pH值为14，电解液温度为20℃。氧化电压为700V，脉冲频率为1500Hz，峰值电流设置为400A，氧化时间为30min；对微弧氧化后的髋臼杯采用去离子水进行超声振动处理，随后在100℃的条件下,将髋臼杯浸没在5mol/L的氢氧化钠溶液中，持续24小时，水热处理后，利用去离子水超声清洗，得到生物活性功能多孔钽髋臼杯。

实施例4：

生物活性功能多孔钽髋臼补块的制备步骤：

按照实施例1的多孔钽植入物加工工艺完成本实施例，与实施例1不同的是：利用髋臼补块作为实施例4的改性对象，该髋臼补块表面结构为多孔结构。

实施例5：

生物活性功能多孔钽胫骨平台的制备步骤：

按照实施例1的多孔钽植入物加工工艺完成本实施例，与实施例1不同的是：利用钽胫骨平台作为实施例5的改性对象，该钽胫骨平台与胫骨截骨面接触部分为多孔结构。

实验1：

对实施例1得到的生物活性功能多孔钽椎间融合器表面进行电镜扫描，得到的表面扫描电镜图如图1所示。

由图1可知：实施例1得到的多孔钽植入物表面的原位生长膜层微孔孔径大小在0.01～2μm之间，孔隙率约15％，经过水热处理后，表面具有活化的沉积层。

实验2：

将实施例1-5得到的生物活性多孔钽植入物进行检测，其中采用X射线能谱检测实施例1-5的原位生长膜层的元素组成，实施例1的X射线能谱图见图2，实施例1-5的多孔钽植入物各元素含量见表1。

表1实施例1-5得到的多孔钽植入物各元素含量(原子百分比)

	Ca	P	Ta	O
					实施例1	6.89	2.75	20.37	71.97
实施例2	7.01	2.55	19.96	70.53
					实施例3	7.14	2.87	20.03	71.38
实施例4	7.65	2.24	18.79	72.43
					实施例5	7.92	2.67	20.93	69.28

根据图2和表1数据可以看出，实施例1-5提供的椎间融合器、人工椎体、髋臼杯、髋臼补块、钽胫骨平台，经过本发明的技术方案，表面附有Ga/P等生物活性物质，达到了表面改性的目的。

实验3：

依据《YY/T 1447-2016外科植入物植入材料磷灰石形成能力的体外评估》进行体外生物活性实验。体外活性实验采用1.5 倍的模拟人体体液(simulated body fluid,SBF)作为浸泡液。在37℃的恒温水浴箱中对实施例1得到的多孔钽植入物进行浸泡实验，浸泡时间为14天，在浸泡实验过程中，每两天更换一次SBF溶液，在一周过后，模拟体液出现浑浊时，换液时间改为每天一次。浸泡实验完成后，取出多孔钽植入物样品，先用去离子水清洗干净，随后在干燥箱中烘干后进行扫描电镜观察，观察其表面沉积羟基磷灰石的情况。

根据体外活性试验分析测试结果，可知：如图3所示，实施例1得到的多孔钽植入物的表面沉积了大量的羟基磷灰石，表明该生物活性功能多孔钽植入物能够实现骨诱导和骨长入。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；同样可行的是，通过本发明所提到的手段和特征的组合实现了其他实施变型，而不离开本发明的范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.具有生物活性功能多孔钽植入物的加工工艺，其特征在于，包括步骤：对三维多孔钽植入材料进行酸洗处理；将预处理后的三维多孔钽植入材料浸没在电解液，进行微弧氧化处理；对微弧氧化处理后的三维多孔钽植入材料进行水热处理；

微弧氧化：将预处理后的三维多孔钽植入材料浸没在电解液，进行微弧氧化处理，在三维多孔钽植入材料表面生成原位生长膜层；氧化电压为200～700V，脉冲频率为100～1500Hz，峰值电流设置为10～400A，氧化时间为1～30min；

电解液中钙元素的浓度记为m mol/L，磷元素的浓度记为nmol/L，当0.01≤m＜0.2时，(0.1m+0.015)≤n＜0.05；当0.2≤m≤0.8时，0.075≤n≤m/0.875；

水热处理：对微弧氧化后的三维多孔钽植入材料采用去离子水进行超声清洗，在50～100℃的条件下,将微弧氧化处理后的三维多孔钽植入材料浸没在8mol/L的碱性溶液中，持续12～24小时，最后去离子水超声清洗，得到具有生物活性的多孔钽植入物。

2.具有生物活性功能多孔钽植入物，由权利要求1所述的具有生物活性功能多孔钽植入物的加工工艺制备，其特征在于：所述多孔钽植入物包括：三维多孔钽植入材料、原位生长在三维多孔钽植入材料表面的原位生长膜层，所述原位生长膜层表面包括有微孔。

3.根据权利要求2所述的具有生物活性功能多孔钽植入物，其特征在于：所述三维多孔钽植入材料为椎间融合器、人工椎体、髋臼杯、髋臼补块中的任意一种，所述椎间融合器、人工椎体为多孔结构，所述髋臼杯、髋臼补块的表面为多孔结构。

4.根据权利要求2所述的具有生物活性功能多孔钽植入物，其特征在于：所述三维多孔钽植入材料为钽胫骨平台，所述钽胫骨平台与胫骨截骨面接触部分为多孔结构。

5.根据权利要求3所述的具有生物活性功能多孔钽植入物，其特征在于：所述椎间融合器的高度为4～15mm，结构孔的内切圆直径为4～10mm，外接圆直径为10～30mm，上下端面夹角度0～15°。

6.根据权利要求3所述的具有生物活性功能多孔钽植入物，其特征在于：所述人工椎体的高度为15～200mm，结构孔的内切圆直径为4～10mm，外接圆直径为8～30mm，上下端面夹角度0～15°。

7.根据权利要求3所述的具有生物活性功能多孔钽植入物，其特征在于：所述髋臼杯的有效球形外径为36～72mm，髋臼高度为22～50mm。

8.根据权利要求3或4所述的具有生物活性功能多孔钽植入物,其特征在于：所述多孔结构的孔径为200～1500μm，丝径为200～1000μm，孔隙率为30％～90％；所述多孔结构为不定形孔结构、立方结构、六棱柱结构、金刚石结构、菱形十二面体结构、截角八面体结构中的一种或几种。

9.根据权利要2所述的具有生物活性功能多孔钽植入物,其特征在于：所述原位生长膜层包括钙、磷元素，所述原位生长膜层厚度为0.01～10μm，所述原位生长膜层表面微孔的孔径为0.01～2μm，孔隙率为2％～25％。