CN1919361A

CN1919361A - 生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料及其应用

Info

Publication number: CN1919361A
Application number: CN 200510047093
Authority: CN
Inventors: 任伊宾; 杨柯; 黄晶晶; 张炳春; 姚治铭
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2005-08-26
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: CN100381182C

Abstract

本发明涉及生物医用金属植入材料及复合材料，具体地说是生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料及其应用，以可降解高分子材料为基体，纯镁或镁合金材料作为增强体，纯镁或镁合金材料的体积百分比为5～50％，纯镁和镁合金可采用板、棒、管、丝、屑、晶须以及多孔状态等，通过调整纯镁及镁合金的强度来改善降解过程中复合材料整体的力学性能，通过调整可降解高分子材料的降解周期和纯镁及镁合金的腐蚀速率，达到可控降解的目的。采用这种方法制备的生物医用可控降解纯镁及镁合金高分子复合植入材料可用于制备暂时或短期植入器件，如内固定用接骨板和骨钉以及组织工程用支架材料等。

Description

生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料及其应用

技术领域

本发明涉及生物医用复合材料和金属植入材料，具体地说是生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料及其应用。

背景技术

许多医用植入器件(如心血管支架、骨钉和接骨板等)服役期满后，不能长期留在体内，需再次手术取出。可降解医用材料在体内生理环境下可逐步降解并被机体吸收代谢，因而更适合于植入人体内。目前用于临床的生物降解材料主要是高分子材料，有如胶原蛋白、聚乳酸等，用它们制作的骨针、药物控制释放载体和支架等已经商业化。

生物可降解高分子材料经过多年临床应用，发现存在许多问题^[1-3]：(1)强度低，硬度和刚性低；(2)降解可控性差，降解时间和强度、刚性不匹配，降解过程中强度下降快从而使器件过早失效；(3)局部酸性降解产物积聚导致非特异炎性，影响愈合；(4)在γ射线或还氧乙烷(EO)灭菌和消毒过程中，力学性能降低；(5)加工稳定性和保存稳定性差。因此改进现有可降解材料的缺点，或发展新型可降解吸收材料，对于满足临床应用和病患者的需求，以及生物材料的发展等都有重要意义。

镁及镁合金的耐蚀性能较差，纯镁的标准电位为-2.37V，尤其是在含有Cl^-离子的人体生理环境中更是如此，常用纯镁及镁合金在模拟体液中，腐蚀降解速率可达到0.1-5mm/year，纯镁及镁合金的腐蚀速率与材料本身的合金化元素、微观组织(晶粒度，析出物等)、杂质含量、加工状态及表面状态等因素密切相关，因此纯镁及镁合金可用来发展可控腐蚀降解生物医用金属植入材料。

可降解高分子材料具有优良的生物学性能，而纯镁及镁合金作为可降解吸收材料对比可降解高分子材料具有优良的力学性能，因此利用可降解镁及镁合金的力学性能和可降解高分子材料的良好的生物学相容性，发展可降解吸收高分子金属复合植入材料将具有极大的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种可控降解吸收的生物医用高分子金属复合植入材料及其应用，使其在腐蚀降解过程中，降解速率和植入器件服役时间相匹配，同时保证植入器件服役期间的良好的力学性能和生物学性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，以可降解高分子材料为基体，纯镁或镁合金材料作为填料和增强体，纯镁和镁合金可采用板、管、丝、棒、屑、晶须以及多孔状态等，金属增强体的体积比可根据需要在5％到50％之间调整，通过调整纯镁及镁合金的强度来改善降解过程中复合材料整体的力学性能，通过调整可降解高分子材料的降解周期和纯镁及镁合金的腐蚀速率，达到可控降解的目的。

所述纯镁为医用纯镁或高纯镁；镁合金为，镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金、或镁银系列合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系和多元系镁合金。

上述镁合金中合金元素的含量基本上应满足生物医用的要求，使其在降解过程中的降解量应在不引起组织毒性反应的剂量范围内；所涉及的纯镁和镁合金主要包括：纯镁(重量含量99％以上)、镁铝系列(除二元体系外主要包括Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE四个三元体系及其他多元体系，代表性合金如AZ31，AZ61，AM60，AM50，AE21，AS21等，其中铝重量含量要求小于10％，Zn、Mn、Si和/或RE重量含量含量小于5％)、镁锰系列(主要是二元Mg-0.1～2.5％Mn及添加少量稀土、钙、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如国内牌号MB1和MB8)、镁锌系列(除二元体系外主要包括Mg-Zn-Zr和Mg-Zn-Cu系列，代表性合金如ZK21、ZK60、ZC62等)、镁锆系列(主要是二元Mg-0.1～1％Zr及添加少量稀土、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如K1A等)、镁稀土系列(主要是二元Mg-0.1～5％RE及添加少量铝、锆、钙、锌等元素组成的三元系或多元系，)、镁锂系列(主要是二元Mg-1～15％Li及添加少量铝、稀土、锌和硅等元素组成的三元系或多元系，代表合金如LA91、LAZ933等)、镁钙系列(主要是二元Mg-0.1～3％Ca及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系)、镁银系列(主要是二元Mg-0.1～12％Ag及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如QE22等)等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系和多元系镁合金。对于纯镁及镁合金而言，其腐蚀降解速率可以通过改变材料本身的成分，晶粒尺寸及热处理状态等条件控制在0.01-5mm/year。

本发明所涉及的可降解高分子材料可选用目前常用于临床上的生物降解材料，主要包括胶原蛋白、明胶、甲壳素等天然可降解高分子材料和聚丙交酯(聚乳酸，PLA)、聚乙交酯(聚羟基乙酸，PGA)、聚氰基丙烯酸酯(PACA)、聚己酸内酯(PCL)、聚酸酐(包括脂肪族聚酸酐，芳香族聚酸酐，杂环族聚酸酐，聚酰酸酐及可交联聚酸酐等)、聚原酸酯和/或聚磷晴等合成可降解高分子材料以及上述聚合物之间的共聚物等。上述可降解高分子材料的研究已经非常成熟，用它们制作的骨针、药物控制释放载体和支架等部分已经商业化，其在体液及模拟体液中的降解速率已经可非常容易地控制在从一个星期到几年。

本发明的可控降解吸收生物医用高分子金属复合植入材料可用于制备暂时或短期医用生物植入器件，如内固定用接骨板和骨钉以及组织工程用支架材料等。

本发明具有如下优点：

1.比强度和比刚性高。相对可降解高分子材料而言，经过金属镁合金增强后，提高了整体材料的强度；可降解高分子材料在降解过程中容易发生降解时间和强度的不匹配，过早损失强度，而本发明的可降解吸收复合材料在降解过程过程中，增强用的金属镁合金材料可根据需要调整强度等，使整个复合材料在服役期中有效保持良好的力学性能。同时纯镁及镁合金材料具有和人骨接近的弹性模量，如果制作骨固定物等与骨骼有关的器件，可以有效地避免应力屏障，非常有利于骨的愈合。

2.降解速率易控。本发明充分结合和发挥可降解纯镁及镁合金和可降解高分子的优点，可解决可降解高分子材料强度低以及降解过程中强度下降快的问题，同时利用可降解高分子材料降解速率的易控性，以及纯镁及镁合金材料优良的力学性能和高腐蚀速率，通过金属镁材料的力学性能和腐蚀速率以及可降解高分子基体材料的降解周期，可获得满足不同临床需求的生物医用可降解纯镁及镁合金材料。

3.安全、实用性好。纯镁及镁合金用作植入材料，具有许多优点：1.镁资源丰富，相对成本低、来源广泛；2.镁与镁合金的密度为1.74g/cm³左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm³)极为接近；3.镁及镁合金有高的比强度和比刚度；4.镁及镁合金的杨氏弹性模量约为45GP，接近人骨的弹性模量20GPa左右，作为植入物可避免应力遮挡效应；5.镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素，成人每人每日需要量大于350mg，它参与体内一系列新陈代谢过程。可降解镁及镁合金在体内生理环境下最终被腐蚀降解并被机体吸收或代谢，其降解产物主要是人体所需的镁离子，镁是人体所需常量元素，所含其他合金元素含量均在生物医用范围之内，所选用的可降解高分子材料也是目前临床上常用的，因此采用本发明处理后的高分子金属复合植入材料制备可控降解医用植入器件是安全的，具有很大的优势和应用前景。

具体实施方式

实施例1：

采用99.95％纯镁细丝若干(经抛光后，丝径在0.5mm)，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后放入定制的模型中，加入熔融态聚乳酸(PLA)，纯镁丝所占体积比在30％左右，冷却后加工成测试样品(30mm×20mm×3mm)，浸泡在按表1配制的模拟血浆溶液中经过约6个月后完全腐蚀降解。

由于纯镁材料的腐蚀速率可以通过杂质含量和晶粒尺寸及热处理等因素来调整，聚乳酸的降解速率也可根据聚乳酸的分子量及涂层的厚度来控制，所以根据经过以上工艺制备的医用可控降解纯镁聚乳酸复合材料的降解速率可以从纯镁和聚乳酸两方面进行优化调整。

表1：人工血浆组成

化合物	NaCl	CaCl₂	KCl	MgSO₄	NaHCO₃	Na₂HPO₄	NaH₂PO₄
化合物	NaCl	CaCl₂	KCl	MgSO₄	NaHCO₃	Na₂HPO₄	NaH₂PO₄	浓度，mg/L	6800	200	400	100	2200	126	26

实施例2

将铸态AZ31B镁合金2mm棒12根经抛光后，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后与聚羟基乙酸(PGA)制成复合材料，AZ31B镁合金棒所占比例约30％，制成测试试样(40mm×30mm×6mm)，浸泡在0.9％NaCl溶液中经过约9个月后完全腐蚀降解。

由于AZ31B镁合金材料的腐蚀速率可以通过杂质含量和晶粒尺寸及热处理等因素来调整，聚羟基乙酸的降解速率也可根据分子量及涂层的厚度来控制，所以根据经过以上工艺制备的医用可控降解镁合金材料的降解速率可以从合金基体和表面聚羟基乙酸两方面及其比例进行优化调整。

实施例3

将高纯镁(99.99％)屑，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后和聚乳酸及聚羟基乙酸的共聚物(PLGA)复合，镁屑比例约为40％，制成测试试样(35mm×20mm×3mm)，浸泡在0.9％NaCl溶液中经过约4个月后完全腐蚀降解。

由于纯镁材料的腐蚀速率可以通过杂质含量和晶粒尺寸及热处理等因素来调整，聚乳酸和聚羟基乙酸的共聚物的降解速率也可根据二者配比及涂层的厚度来控制，所以根据经过以上工艺制备的医用可控降解镁合金材料的降解速率可以从合金基体和表面聚乳酸和聚羟基乙酸两方面进行优化调整。

实施例4

将AM60镁合金薄板(1mm厚×5mm宽)5片，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后和聚乳酸熔融态液体复合，镁合金比例约为20％，将材料取出放入合适的模具中冷却，脱模后经修整使用，制成测试试样(40mm×30mm×4mm)，浸泡在按表1配制的模拟血浆溶液中经过约7个月后完全腐蚀降解。

由于AM60镁合金材料的腐蚀速率可以通过杂质含量和晶粒尺寸及热处理等因素来调整，聚乳酸的降解速率也可根据分子量及涂层的厚度来控制，所以根据经过以上工艺制备的医用可控降解镁合金材料的降解速率可以从合金基体和表面聚乳酸两方面进行优化调整。

实施例5

将ZK60镁合金板材(45mm×10mm×3mm)经激光打孔(孔隙率在50％)后抛光，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，然后和聚己内酯(PCL)复合，镁合金比例约为45％，制成测试试样(50mm×25mm×8mm)，浸泡在0.9％NaCl溶液中经过约10个月后完全腐蚀降解。

由于ZK60镁合金材料的腐蚀速率可以通过杂质含量和晶粒尺寸及热处理等因素来调整，聚己内酯的降解速率也可根据分子量及涂层的厚度来控制，所以根据经过以上工艺制备的医用可控降解镁合金材料的降解速率可以从合金基体和表面聚己内酯两方面进行优化调整。

实施例6

与实施例5不同之处在于：

镁合金为MB1棒(3mm)，可降解高分子材料为胶原蛋白，镁合金比例约为30％。

实施例7

与实施例5不同之处在于：

镁合金为K1A板(0.8mm厚×4mm宽)，可降解高分子材料为等体积的明胶和甲壳素，镁合金比例约为20％。

实施例8

与实施例5不同之处在于：

镁合金为铸态LA91屑，可降解高分子材料为聚原酸酯，镁合金比例为50％。

实施例9

与实施例5不同之处在于：

镁合金为QE22板(1.2mm厚×5mm宽)，可降解高分子材料为聚氰基丙烯酸酯，镁合金比例约为30％。

Claims

1.生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：以可降解高分子材料为基体，其内置有纯镁或镁合金材料作为增强体，纯镁或镁合金材料的体积百分比为5～50％。

2.按照权利要求1所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：作为复合材料内置增强体的纯镁和镁合金可采用板、管、丝、棒、屑、晶须以及多孔材料中之一或它们的组合。

3.按照权利要求1所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：所述纯镁为医用纯镁或高纯镁；镁合金为镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁锂合金、镁钙合金、镁银合金的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。

4.按照权利要求1所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：所述纯镁指镁重量含量≥99％的镁；镁合金中铝的重量含量＜10％，Zn、Mn、Si或RE的重量含量≤5％、Zr的重量含量≤1％；Li的重量含量≤15％，Ca的重量含量≤3％，Ag的重量含量≤12。

5.按照权利要求1所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：所述可降解高分子材料为：天然可降解高分子材料，或聚丙交酯、聚乙交酯、聚氰基丙烯酸酯、聚己酸内酯、聚酸酐、聚原酸酯和/或聚磷晴这些合成可降解高分子材料，或上述聚合物之间的共聚物。

6.按照权利要求5所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料，其特征在于：所述天然可降解高分子材料为胶原蛋白、明胶和/或甲壳素；聚酸酐为脂肪族聚酸酐、芳香族聚酸酐、杂环族聚酸酐、聚酰酸酐或可交联聚酸酐。

7.一种权利要求1所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料的应用，其特征在于：高分子金属复合材料用于制备暂时或短期生物医用植入器件。

8.按照权利要求7所述生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料的应用，其特征在于：所述植入器件为内固定用接骨板、内固定用骨钉或组织工程用支架。