CN114059146A - 一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法 - Google Patents

一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物材料制备技术领域，具体涉及一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法。所述方法具体包括：在可降解金属骨结合物表面封闭一层高分子膜衣；以点阵或线阵的形式对带有膜衣的可降解金属骨结合植入物进行激光雕刻，获得雕刻金属骨结合植入物；将雕刻金属骨结合植入物作为电化学抛光设备阳极，阴极为不溶性金属，在电解液中进行电化学腐蚀处理获得腐蚀金属骨结合植入物；将所述腐蚀金属骨结合植入物中的膜衣剥离，并进行清洗获得表面处理后的金属骨结合植入物。本发明采用激光微刻联合电化学腐蚀的处理工艺，对金属骨结合植入物的表面积进行可控性的增加，实现降解速率的调控。

Description

一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法
技术领域
本发明涉及生物材料制备技术领域，具体涉及一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法。
背景技术
以可降解材料制造骨结合植入物已成为骨科基础研究和临床研究的热点。目前应用于骨结合植入物的可降解材料主要分为两类：可降解聚合物和可降解金属/合金。目前，可降解聚合物主要是聚乙交酯(PGA)和聚丙交酯(PLA)。它们都有良好的生物相容性，但可降解聚合物制成的骨结合植入物有两方面的局限性。首先可降解聚合物制成的骨结合植入物力学强度不够，只能用于骨质较好的患者。其次，可降解聚合物制成的骨结合植入物只能机械功能性作用，没有生物功能性作用，比如可降解聚合物的体内降解产物没有促进骨愈合的功能。而可降解金属骨结合植入物不仅有良好的力学强度，而且其降解产物能够促进骨愈合。因此，可降解金属骨结合物植入物更适用于临床的需求。
通过特殊结构设计提高骨结合植入物的力学性能是目前最常用的一种方式，而实现特殊结构设计产品成形要求材料本身具有极强的机械性能，且实现特殊结构设计的产品成形过程产生的表面残余应力会使产品的疲劳强度大打折扣。而为消除表面残余应力带来的副作用往往需要通过采取必要的措施提高和改善加工件表层机械力学性能，常用的措施包括滚压加工、喷丸强化等。这样的措施会使工件的硬化深度加强，表面粗糙度减少，从而使用寿命提高几倍或几十倍。然而这些措施的应用在可降解金属制成的骨结合植入物，会使可降解金属制成的骨结合植入物的降解速率降低。目前由锌基骨结合植入物体内完全降解需要3年左右，铁基骨结合植入物体内完全降解需要10年左右，而骨愈合周期一般是6个月。因此，在保证骨愈合周期内保持良好的固定强度下，实现降解方式和降解速率可控是目前急需解决的技术问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明采用激光微刻联合电化学腐蚀的处理工艺，对金属骨结合植入物的表面积进行可控性的增加，实现降解速率的调控。
针对上述目的，本发明实施例提供了一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，所述表面处理方法具体包括以下步骤：
S1:在可降解金属骨结合物表面采用热封固化、喷涂固化或光固化的方法封闭一层高分子膜衣；
S2:以点阵或线阵的形式对带有膜衣的可降解金属骨结合植入物进行激光雕刻，获得雕刻金属骨结合植入物；
S3:将所述雕刻金属骨结合植入物作为电化学抛光设备阳极，阴极为不溶性金属，在电解液中进行电化学腐蚀处理获得腐蚀金属骨结合植入物；
S4:将所述腐蚀金属骨结合植入物中的膜衣剥离，并进行清洗获得表面处理后的金属骨结合植入物。
进一步的，所述步骤S1中的高分子膜衣的厚度为0.01-1mm，所述高分子膜衣的成分为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚树脂、聚邻苯二酰胺、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种或多种。
进一步的，所述步骤S2激光雕刻过程中，激光雕刻能量穿透高分子膜衣，并在植入物表面形成0-200μm的雕刻腐蚀坑面。
进一步的，所述步骤S2激光雕刻过程在高分子膜衣上的腐蚀坑面直径或狭缝宽度为14-50μm。
进一步的，所述步骤S3中所述的电解液由醇类试剂与酸混合制得，所述醇类试剂为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇、丙三醇中的任意一种或多种，所述酸为乙酸、丙酸、丙稀酸、碳酸、硼酸、乳酸、硫酸、硝酸、磷酸、盐酸中的任意一种或多种。
进一步的，所述电化学腐蚀处理过程中电流为0.1-5A，电压为0.1-100V，处理时间为2-120s。
有益效果：
(1)本发明采用激光微雕联合电化学腐蚀的工艺处理对可降解骨结合植入物进行处理，首先在植入物的表面封闭一层高分子膜衣，并设置激光雕刻过程的雕刻图阵，并按照图阵进行激光雕刻，穿透高分子膜衣或在植入物的表面形成一定的雕刻腐蚀坑，然后通过电化学腐蚀工艺定点进行电解腐蚀，可以增加植入物的表面积，从而提高体液与植入物的接触面积，加入降解进程。同时表面腐蚀微坑和狭缝的存在，可以再骨组织愈合期更早的让骨细胞长入材料基体内部，提高材料与阻滞的把持力，实现更稳定的结合。
(2)在本发明的表面处理过程中，可以结合图阵设计、激光雕刻能量的选择，再通过控制电化学腐蚀过程中工艺参数的控制，精准的控制腐蚀坑的数量以及腐蚀坑深度，从而获得相应的表面积增加量，结合接触面积与降解速率的关系，经反推可以根据任意降解速率，设计本方案中各个过程中的工艺参数，以获得降解速率可控的表面处理工艺。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的可降解金属骨结合植入物的点阵图阵示意图(a)和腐蚀坑切面图(b)；
图2为本发明实施例2提供的可降解金属骨结合植入物的点阵图阵示意图(a)和腐蚀坑切面图(b)；
图3为本发明实施例3提供的可降解金属骨结合植入物的点阵图阵示意图(a)和腐蚀坑切面图(b)。
具体实施方式
为了更加清楚阐述本发明的技术内容，在此结合具体实施例和附图予以详细说明，显然，所列举的实施例只是本技术方案的优选实施方案，本领域的技术人员可以根据所公开的技术内容显而易见地得出的其他技术方案仍属于本发明的保护范围。
在本发明实施例中，采用的化学试剂均为分析级的试剂，通过购买或现有方法制备获得。
实施例1
(1)在锌及锌合金骨结合植入物表面封闭一层聚乙烯膜衣。采用热封固化封闭在材料表面，膜衣厚度为0.1mm。
(2)采用飞秒激光雕刻机，以特定点阵的图阵形式(如图1所示)，对带有膜衣的骨结合植入物表面进行激光雕刻。所述飞秒激光雕刻机功率为20W。所述激光雕刻能量可穿透聚乙烯膜衣，并不在锌及锌合金材料上留下雕刻痕迹。所述激光雕刻穿透高分子膜衣所形成聚乙烯膜衣腐蚀坑面直径30μm。
(3)将雕刻后产品放置于电化学抛光设备阳极，阴极连接铂铱丝不溶性金属，按如下抛光参数抛光。电流为直流，1.2A，电压10V，作用时间15s/次，抛光次数8次。所用电解液为乙醇：丙醇：乙酸＝1:3:1。抛光后腐蚀坑深度为30μm。
(4)抛光后产品剥离聚乙烯膜衣，至于无水乙醇中超声清洗，可得表面积相应增18.46％后锌及锌合金骨结合植入物表面。腐蚀坑为圆柱体，直径30μm，深度30μm，数量85个。
1月观察期内SBF(模拟体液)体外降解速率为0.132mm/y。
实施例2
(1)在锌及锌合金骨结合植入物表面封闭一层聚对苯二甲酸乙二醇酯膜衣。采用热封固化封闭在材料表面，膜衣厚度为0.2mm。
(2)采用飞秒激光雕刻机，以特定点阵的图阵形式(如图2所示)，对带有膜衣的骨结合植入物表面进行激光雕刻。所述飞秒激光雕刻机功率为40W。所述激光雕刻能量需足够穿透高分子膜衣，并可在锌及锌合金材料上留下一定深度的雕刻腐蚀坑面，其深度为80μm。所述激光雕刻穿透高分子膜衣所形成聚对苯二甲酸乙二醇酯膜衣腐蚀坑面直径40μm。
(3)将雕刻后产品放置于电化学抛光设备阳极，阴极连接铂铱丝不溶性金属，按如下抛光参数抛光。电流为脉冲电流，2A，电流频率20Hz，电压15V，作用时间20s，抛光次数6次。所用电解液为戊醇：乙二醇：硫酸＝3:5:1。抛光后腐蚀坑深度为80μm。
(4)抛光后产品剥离聚对苯二甲酸乙二醇膜衣，至于无水乙醇中超声清洗，可得表面积相应增大39.16％后锌及锌合金骨结合植入物表面。腐蚀坑为圆柱体，直径40μm，深度80μm，数量70个。
1月观察期内SBF(模拟体液)体外降解速率为0.255mm/y。
实施例3
(1)在锌及锌合金骨结合植入物表面封闭一层聚丙烯膜衣。采用热封固化封闭在材料表面，膜衣厚度为0.1mm。
(2)采用飞秒激光雕刻机，以特定线阵的图阵形式(如图3所示)，对带有膜衣的骨结合植入物表面进行激光雕刻。所述飞秒激光雕刻机功率为20W。所述激光雕刻能量可穿透聚丙烯膜衣，并不在锌及锌合金材料上留下雕刻痕迹。所述激光雕刻穿透高分子膜衣所形成聚丙烯膜衣腐蚀狭缝宽度20μm，长度200μm。
(3)将雕刻后产品放置于电化学抛光设备阳极，阴极连接铂铱丝不溶性金属，按如下抛光参数抛光。电流为脉冲电流，3A，电流频率50Hz，电压20V，作用时间5s，抛光次数10次。所用电解液为丁醇：戊醇：丙三醇：盐酸＝5:3:4:1。抛光后腐蚀坑深度为50μm。
(4)抛光后产品剥离聚丙烯膜衣，至于无水乙醇中超声清洗，可得表面积相应增大88％后锌及锌合金骨结合植入物表面。腐蚀坑为长方块，长度200μm，宽度20μm，高度50μm，数量52个。
1月观察期内SBF(模拟体液)体外降解速率为0.378mm/y。
以上所述实施例，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述表面处理方法具体包括以下步骤：
S1:在可降解金属骨结合物表面采用热封固化、喷涂固化或光固化的方法封闭一层高分子膜衣；
S2:以点阵或线阵的形式对带有膜衣的可降解金属骨结合植入物进行激光雕刻，获得雕刻金属骨结合植入物；
S3:将所述雕刻金属骨结合植入物作为电化学抛光设备阳极，阴极为不溶性金属，在电解液中进行电化学腐蚀处理获得腐蚀金属骨结合植入物；
S4:将所述腐蚀金属骨结合植入物中的膜衣剥离，并进行清洗获得表面处理后的金属骨结合植入物。
2.根据权利要求1所述的可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S1中的高分子膜衣的厚度为0.01-1mm，所述高分子膜衣的成分为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯醚树脂、聚邻苯二酰胺、聚苯硫醚、聚砜、聚醚醚酮、聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯中的任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2激光雕刻过程中，激光雕刻能量穿透高分子膜衣，并在植入物表面形成0-200μm的雕刻腐蚀坑面。
4.根据权利要求1所述的可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2激光雕刻过程在高分子膜衣上的腐蚀坑面直径或狭缝宽度为14-50μm。
5.根据权利要求1所述的可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S3中所述的电解液由醇类试剂与酸混合制得，所述醇类试剂为乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、乙二醇、丙三醇中的任意一种或多种，所述酸为乙酸、丙酸、丙稀酸、碳酸、硼酸、乳酸、硫酸、硝酸、磷酸、盐酸中的任意一种或多种。
6.根据权利要求1所述可降解金属骨结合植入物的表面处理方法，其特征在于，所述电化学腐蚀处理过程中电流为0.1-5A，电压为0.1-100V，处理时间为2-120s。
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