CN115444971A - 一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法 - Google Patents
一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，涉及生物可降解金属材料领域，包括利用渗流铸造法制备多孔镁合金支架材料的步骤；包括骨修复支架的加工成形、热处理的步骤；包括用NaF或NaF与HF酸混合溶液对骨修复支架的表面处理步骤；其中：所述的生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5‑3％,Ca为0.1‑1.5％,Mn为0‑1％,MgO为0‑2％，余为Mg。本发明在多孔镁合金表面得到均匀密实的NaMgF3涂层，所得NaMgF3涂层厚度约为6‑8μm，使支架的降解速率在0.1mm/year‑1mm/year范围。本发明既可制备成植入需要的骨修复多孔支架，又能满足体内植入时对骨修复支架材料腐蚀降解的要求以及骨愈合过程中良好的生物相容性。
Description
技术领域
本发明涉及生物可降解金属材料领域，具体涉及关于骨缺损修复用多孔镁合金支架材料的制备和表面改性技术。
背景技术
骨缺损是指由于创伤、感染、肿瘤切除或先天性疾病等原因造成的骨质缺失。通过可降解多孔支架对缺损部位进行填充和支撑，并诱导新骨生长实现功能的恢复和重建，是一种理想的骨缺损修复手段。理想的骨修复支架在结构上要有与骨缺损部分相匹配的外形和内部连通、大小适宜的孔隙结构，材料本身具备可降解性、生物相容性和适宜的力学性能，以保证支架在修复阶段的力学稳定性。镁是人体常量元素之一，且大部分骨组织中分布。镁元素不仅参与体内一系列新陈代谢反应，还能调节中枢神经系统等一系列活动。目前也有大量研究表明，镁在骨组织的生长和愈合过程中可以起到骨诱导和骨传导的作用。镁在含Cl-的环境中极易被腐蚀，而人体体液中含有大量Cl-，将镁合金植入人体后会随着损伤组织的愈合和恢复被降解吸收，从而避免二次手术取出。因此，镁作为骨修复支架材料具有良好的应用前景与发展潜力。
利用不同尺寸的氯化钠颗粒作为孔隙结构模板，通过渗流铸造法制备的骨修复可降解镁合金支架，通过强碱溶液处理既可以去除氯化钠颗粒，又可以保持镁合金支架的孔隙结构特征和孔径尺寸的精确控制，实现了骨修复用支架材料对高孔隙率和良好的孔隙连通性的结构要求。同时，这种结构也更有利于支架材料表面改性后涂层在孔隙内部的均匀分布。由于纯镁的降解速率过快，耐腐蚀性较差，在植入修复过程中易出现氢气包囊和强度不足等问题，致使其在骨缺损部位失去治疗和修复的作用。因此，可以通过合金化处理与后期表面改性的方式提高镁合金支架的力学性能，并控制降解速率，使之与新骨生长相匹配。
为提高多孔镁合金支架的耐蚀性能，李杨等人利用负压渗流铸造法制备多孔镁合金支架，后将样品放入浓度为40％的HF酸水溶液中浸泡42h，在支架表面形成MgF2涂层【李杨.骨修复用多孔镁合金的制备及降解性能研究[D].东南大学】。带有MgF2涂层的多孔镁合金支架在Hank’s溶液中的腐蚀速率明显降低，更有利于成骨细胞的黏附，具有良好的骨传导性。但由于MgF2的热膨胀系数远大于镁合金基体，涂层的脆性会随着厚度的增加而增大，从而不可避免地产生涂层开裂现象。因此，用该方法制备的MgF2涂层仅为2.77μm，其对镁合金支架的保护作用非常有限，无法满足临床使用要求。Zhang等人将渗流铸造法制备的多孔镁合金在浓度为40％的HF酸中进行表面预处理后，再利用化学沉积法在pH为3.5，成分为NaNO3、Ca(H2PO4)2和H2O2的钙磷溶液中浸泡制得二水合磷酸氢钙(DCPD)涂层，并在此基础上将DCPD涂层支架材料在浓度为0.05,、0.1和0.5mM的AgNO3溶液中浸泡，通过DCPD与AgNO3反应制得纳米Ag3PO4颗粒负载的DCPD-Ag复合涂层【Lei ZA,Gja B,MinTA,etal.Simultaneous enhancement of anti-corrosion,biocompatibility,andantimicrobial activities by hierarchically-structured brushite/Ag3PO4-coatedMg-based scaffolds[J].Materials Science and Engineering:C,111】。制备的涂层支架的初始降解率较原支架降低约81％，4周内平均腐蚀速率在0.10-0.15mm/year，满足临床要求。且涂层支架通过多孔镁合金支架材料降解产物和涂层中的AgNO3的协同作用表现出了良好的抗菌活性。但由于受到DCPD涂层厚度的影响，使得DCPD-Ag复合涂层支架材料相较于原始支架材料主孔平均尺寸由450μm降低到400μm，连通孔平均尺寸由200μm降低到140μm，这种情况使得平均孔隙率由75％降低到68％，说明较厚的涂层影响到了孔隙结构与孔的连通性。且由于降解过程中Ag+离子的渗透加速镁基体的阳极腐蚀反应，使得DCPD-Ag复合涂层相较于DCPD涂层并没有提高耐蚀性的作用，同时Ag元素其本身具有毒性导致DCPD-Ag复合涂层支架材料的细胞相容性较差。Lalk等人分别带有氟化物以及氟化物和磷酸钙复合涂层的两种镁合金(AX30)支架材料植入兔子股骨内，在6、12和24周评估对比多孔镁合金支架与的生物相容性和降解行为【Lalk M,Reifenrath J,Angrisani N,et al.Fluoride andcalcium-phosphate coated sponges ofthe magnesium alloy AX30 as bone grafts:acomparative study in rabbits[J].Journal ofMaterials Science Materials inMedicine,2013,24(2):417-436】。结果表明，磷酸钙涂层镁合金支架不仅降解速率更高，且呈现不均匀降解行为。组织学分析显示，氟化物涂层镁合金支架形成较高含量的骨和类骨成分，具有更好的骨整合性，而磷酸钙涂层支架材料表现出一定的炎症反应和较低的血管生成能力。因此，氟化物涂层镁合金支架材料具有更好的生物相容性和良好的生物降解性能。综合目前国内外研究报道，采用NaF溶液与HF酸综合表面处理，在骨缺损修复用多孔镁合金支架表面制备表面致密、厚度适宜的涂层，在保证支架孔隙结构的前提下，减小降解速率，提高其生物相容性的方法尚未见报道。
发明内容
本发明目的在于提供一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架材料的综合处理工艺，使处理后的支架具有适宜的降解速率和良好的生物相容性，满足支架材料在服役期间作为细胞增殖分化时输送营养物质的通道，提供新陈代谢场所，并引导细胞生长的要求。
本发明的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架所提供的综合处理工艺包括利用渗流铸造法制备多孔镁合金支架材料、骨修复支架的加工成形、热处理和NaF与HF酸混合溶液的表面处理工艺。
所述的生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5-3％,Ca为0.1-1.5％,Mn为0-1％,MgO为0-2％，余为Mg。
所述的制备工艺：利用尺寸范围为150-800μm氯化钠作为孔隙结构模板，通过渗流铸造法制备孔隙率范围为50％-75％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
所述的加工成型和热处理工艺：采用数控加工铣床加工骨填充部位支架材料。去应力退火温度为150-300℃，处理时间为0.5-5h。
所述的表面处理工艺：在1L超纯水中加入NaF的含量为0.05-0.8mol，在完全溶解的NaF溶液中滴加HF酸的含量为0-1mL，处理温度为20-80℃，处理时间为2-6h。
本发明的理论或技术突破如下：
本发明所述的表面处理工艺中，骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金基体与NaF和HF混合溶液中的H+离子反应后释放Mg2+离子，Mg2+离子与混合溶液中的Na+离子和F-离子反应形成的NaMgF3沉积在支架表面形成NaMgF3核心，并通过螺旋生长机制不断长大。当相邻的NaMgF3颗粒生长到互相接触时停止生长，即在支架表面形成一层均匀致密的NaMgF3保护层。
本发明为了克服单纯氢氟酸处理形成的MgF2涂层过薄，容易开裂，保护作用不足，而复合涂层又会影响镁合金支架孔隙结构和生物活性等问题，本发明在氢氟酸溶液中引入Na+离子，从而在镁合金支架表面形成热膨胀系数与镁合金更为相近的NaMgF3转化膜，解决上述工艺难题。Na也是人体内的一种重要元素，参与维持细胞渗透压和血液的酸碱平衡，对人体生理机能具有重要作用。混合溶液中HF酸的加入既为溶液提供足够的H+离子以提高界面区内Mg2+离子的浓度，又提供足够的F+离子促进膜层的生长，两方面共同促进NaMgF3涂层在支架表面的形成。
本发明制备的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架孔隙分布均匀，孔径结构和力学性能方面与人体松质骨相匹配，减少应力屏蔽效应，孔隙率高，连通性好；在骨缺损修复用多孔镁合金表面得到均匀密实的NaMgF3涂层，厚度约为6-8μm，使支架的降解速率在0.1mm/year-1mm/year范围。本发明所提供的综合处理工艺，既可保证将该镁合金制备成骨修复用多孔支架，又能通过NaMgF3涂层的保护作用控制支架的降解速率，满足骨愈合过程中良好的生物相容性要求。
附图说明
图1为实施例5中所得多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架的电镜图片。
图2为实施例5中所得表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架的电镜图片。
图3为实施例5中所得表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架的X射线衍射图谱。
图4为实施例5中所得NaMgF3涂层的微观形貌及EDS成分分析。其中(a)示出多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架孔壁处NaMgF3涂层的微观形貌及EDS成分分析，(b)示出多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架孔隙内NaMgF3涂层的微观形貌及EDS成分分析。
图5为实施例5中所得表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架的截面电镜图片及能谱线扫结果。
图6为实施例5中所得表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架和多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架在Hank’s溶液中浸泡5天的析氢量和腐蚀速率曲线。其中(a)示出表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架和多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架在Hank’s溶液中浸泡5天的析氢量曲线，(b)示出表面具有NaMgF3涂层的多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架和多孔Mg-Zn-Ca-Mn合金支架在Hank’s溶液中浸泡5天的腐蚀速率曲线。
具体实施方式
本发明的技术方案：以氯化钠作为孔隙结构模板，通过渗流铸造法制备一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金，并对其进行加工成型、热处理和表面NaF溶液与HF酸混合处理工艺。
本发明的技术路线是通过以下实验步骤和工艺实施的：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5-3％,Ca为0.1-1.5％,Mn为0-1％,MgO为0-2％，余为Mg。利用尺寸范围为150-800μm氯化钠作为孔隙结构模板，通过渗流铸造法制备孔隙率范围为50％-75％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：数控加工铣床加工骨填充部位支架材料；去应力退火温度为150-300℃，处理时间为0.5-5h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入NaF的含量为0.05-0.8mol，在完全溶解的NaF溶液中滴加HF酸的含量为0-1mL，处理温度为20-80℃，处理时间为2-6h。
实施例1：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5％,Ca为0.1％,Mn为0％,MgO为0％，余为Mg。以尺寸范围为150-350μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为50％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为150℃，处理时间为0.5h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.05mol的NaF，完全溶解后将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入NaF溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为25℃状态下反应6h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
实施例2：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为1％,Ca为1％,Mn为0.5％,MgO为1％，余为Mg。以尺寸范围为350-450μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为54％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为170℃，处理时间为1h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.1mol的NaF，完全溶解后将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入NaF溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为60℃状态下反应6h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
实施例3：
支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为3％,Ca为1.5％,Mn为1％,MgO为2％，余为Mg。以尺寸范围为600-800μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为74％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为300℃，处理时间为5h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.8mol的NaF，完全溶解后将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入NaF溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为80℃状态下反应6h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
实施例4：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为1％,Ca为1％,Mn为0.5％,MgO为0％，余为Mg。以尺寸范围为350-450μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为54％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为170℃，处理时间为1h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.1mol的NaF，完全溶解后在NaF溶液中滴入0.1mL的HF酸制得混合溶液，将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入混合溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为25℃状态下反应4h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
实施例5：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为1％,Ca为1％,Mn为0.5％,MgO为0％，余为Mg。以尺寸范围为350-450μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为54％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为170℃，处理时间为1h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.1mol的NaF，完全溶解后在NaF溶液中滴入0.8mL的HF酸制得混合溶液，将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入混合溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为25℃状态下反应3h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
图1说明通过渗流铸造法制备的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金的孔径大小与氯化钠模板相一致，孔隙分布均匀且主孔之间由较小的连通孔相连接，结构方面与人体松质骨相匹配。
图2说明制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金宏观形貌与孔连通性保持良好，表面较为粗糙。
图3说明骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金涂层均由NaMgF3组成，未出现由于Na+离子或F+离子浓度过低导致反应不完全生成Mg(OH)2和界面区内Mg2+离子供给速率过大导致NaMgF3转化膜将向MgF2转化膜转变等情况。
图4说明骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金孔壁处与孔隙内均涂覆有均匀致密的NaMgF3涂层，且NaMgF3颗粒形态为立方体，颗粒与颗粒之间贴合良好，没有出现较大孔隙。
图5说明NaMgF3涂层与多孔镁合金基体界面结合良好，界面处未出现缝隙和缺陷。涂层厚度约为6.5μm。
图6说明具有NaMgF3涂层骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金具有更低的析氢量，腐蚀速率方面初步满足体内植入时对骨修复支架材料腐蚀降解的要求。
实施例6：
(1)支架制备工艺：生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为1％,Ca为1％,Mn为0.5％,MgO为0％，余为Mg。以尺寸范围为350-450μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体，将复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到平均孔隙率为54％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
(2)加工成型和热处理工艺：将骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架在数控加工铣床上加工得到骨缺损修复部位填充多孔镁合金支架材料。为去除加工残余应力，退火处理温度为170℃，处理时间为1h。
(3)表面处理工艺：在1L超纯水中加入0.1mol的NaF，完全溶解后在NaF溶液中滴入1.0mL的HF酸制得混合溶液，将其倒入聚四氟乙烯烧杯中，加入混合溶液的体积与支架材料的表面积浸泡比例为20mL/cm2。将支架材料放入溶液中使其完全浸没。在温度为25℃状态下反应2h后将支架材料取出，用无水乙醇对样品表面清洗，冷风吹干后得到表面制备有NaMgF3涂层的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金。
Claims (7)
1.一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征是：包括利用渗流铸造法制备多孔镁合金支架材料的步骤；
包括骨修复支架的加工成形、热处理的步骤；
包括用NaF或NaF与HF酸混合溶液对骨修复支架的表面处理步骤；其中：
所述的生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5-3％,Ca为0.1-1.5％,Mn为0-1％,MgO为0-2％，余为Mg。
2.根据权利要求1所述的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征在于：制备工艺为：利用尺寸范围为150-800μm氯化钠作为孔隙结构模板，通过渗流铸造法制备孔隙率范围为50％-75％的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
3.根据权利要求1所述的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征在于：加工成型、热处理工艺为：采用数控加工铣床加工骨填充部位支架材料，去应力退火温度为150-300℃，处理时间为0.5-5h。
4.根据权利要求1所述的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征在于：表面处理工艺为：在1L超纯水中加入NaF的含量为0.05-0.8mol，在完全溶解的NaF溶液中滴加HF酸的含量为0-1mL，处理温度为20-80℃，处理时间为2-6h。
5.根据权利要求2所述的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征在于：以尺寸范围为150-800μm的氯化钠作为孔隙结构模板进行渗流铸造得到镁合金和氯化钠模板的复合体。
6.根据权利要求5所述的骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架的综合加工处理方法，其特征在于：将所得复合体放入pH为13的NaOH溶液中超声30分钟以去除氯化钠模板，取出后放入无水乙醇中超声清洗后冷风吹干得到骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架。
7.一种骨缺损修复用生物可降解多孔镁合金支架，其特征在于：通过权利要求1-6任一项方法得到，所述的生物可降解多孔镁合金支架的成分按重量百分比Zn为0.5-3％,Ca为0.1-1.5％,Mn为0-1％,MgO为0-2％，余为Mg。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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