專(zhuān)利名稱(chēng)：生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種組織工程領(lǐng)域的多孔鎂基復(fù)合材料，具體的說(shuō)，是一種 生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材料。
背景技術(shù)：
.組織工程學(xué)是應(yīng)用少量組織細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，吸附到一種生物相容 性良好并可被機(jī)體降解的生物材料(支架)上，然后接種到機(jī)體內(nèi)形成新的具 有生命力和相關(guān)功能的組織。骨組織工程是其中的一種，其最大的優(yōu)點(diǎn)是形成了 具有生命力的活體組織。用少量組織修復(fù)大量組織缺損并可按照預(yù)制形狀塑形， 為組織缺損的修復(fù)提供了新思維、新方法。理想的骨、軟骨組織工程支架材料或 細(xì)胞載體應(yīng)具有以下條件良好的生物相容性，適宜的生物降解性，有效的表面 活性， 一定的可塑性，具有三維多孔結(jié)構(gòu)。目前研究開(kāi)發(fā)的骨組織工程支架材料主要有可降解高分子聚合物和生物陶 瓷等，但是聚合物和陶瓷材料的機(jī)械性能比較差，而且聚合物的降解產(chǎn)物例如乳 酸和羥基乙酸等，若濃度較高可造成局部PH的降低，損傷組織。近年來(lái)，研究 重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移至羥基磷灰石和骨膠原的直接復(fù)合上，但是這種材料的強(qiáng)度不夠 高，不適用于承重骨的植入替換和修復(fù)。因此，目前國(guó)內(nèi)外的研究大量集中在尋 找合適的多孔材料作為新的植入組織工程材料。在生物體內(nèi)能被降解，最終為機(jī) 體所吸收，同時(shí)材料本身又具有生物活性，本發(fā)明涉及的就是這樣一種新型金屬 基復(fù)合材料。 ，鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的元素之一，也是人體內(nèi)第四位、細(xì)胞內(nèi)第二位最豐 富的陽(yáng)離子，是人體中不可缺少的重要營(yíng)養(yǎng)元素。鎂在生命過(guò)程中促進(jìn)骨及細(xì)胞的形成，催化或激活機(jī)體300多種酶系。鎂在體內(nèi)三大代謝中通過(guò)調(diào)節(jié)核糖體 DNA及RNA的結(jié)構(gòu)而對(duì)蛋白質(zhì)的合成起關(guān)鍵作用。鎂做為生物醫(yī)用材料具有良好 的醫(yī)學(xué)安全性基礎(chǔ)。
物材料)期刊2007年28巻第2163-2174頁(yè)中報(bào)道了 "Biodegradable magnesium - hydroxyapatite metal matrix composites"( 生物可降解鎂-羥 基磷灰石金屬基復(fù)合材料)，他們通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)研究羥基磷灰石顆粒增 強(qiáng)鎂合金用做骨組織工程用可降解支架可行性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此含HA增強(qiáng)體的鎂合 金復(fù)合材料的細(xì)胞相容性良好，樣品上的骨原細(xì)胞(HBDC)，成骨細(xì)胞(MG-63) 和巨噬細(xì)胞(RAW264.7)的數(shù)量都比對(duì)照組(組織工程塑料，TCP)多，且具有 可調(diào)節(jié)的機(jī)械和腐蝕性能，具有良好的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)中還提到所研究的AZ91D 鎂合金中含有A1元素等其他元素，雖然鎂的生物相容性基礎(chǔ)良好，但A1元素不 屬于人體的必需微量元素，被認(rèn)為具有神經(jīng)毒性，是導(dǎo)致早老性癡呆的因素，一 定程度上降低了細(xì)胞活性。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)支架材料的不足，提供一種生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基 復(fù)合組織工程支架材料。本發(fā)明采用粉末冶金工藝制備的骨組織工程支架材料， 利用鎂在水介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殒V離子，鎂離子通過(guò)體內(nèi)的吸收和腎臟的代 謝來(lái)調(diào)節(jié)平衡，從而使支架材料在體內(nèi)逐漸被降解吸收。Mg2+離子參與一系列新 陳代謝過(guò)程，.包括骨細(xì)胞的形成，加速骨愈合能力等，適宜作為骨組織工程的支 架材料，促進(jìn)骨細(xì)胞的黏附增殖繁衍，增強(qiáng)自我修復(fù)能力，加速自體修復(fù)的速度。 多孔鎂支架材料具有良好的生物相容性和力學(xué)性能基礎(chǔ)，可較好地滿(mǎn)足骨組織工 程支架材料綜合力學(xué)性能和生物學(xué)安全的要求。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用高純度鎂粉及鎂合金粉作為 基體，不同含量的HA (羥基磷灰石)作為增強(qiáng)體，尿素作為造孔劑，制備骨組 織工程多孔支架材料。本發(fā)明各組分及其體積百分比含量高純度鎂及鎂合金粉 70%-20%，血粉10%-20%，造孔劑20%-70%。本發(fā)明是通過(guò)傳統(tǒng)的粉末冶金的制備方法，利用造孔劑在燒結(jié)過(guò)程中揮發(fā)得 到孔洞的方法制備得到骨組織工程多孔支架材料。使用尿素作為造孔劑，與HA 粉末和高純鎂或者鎂合金粉(高純Mg-Zn合金，高純Mg-Zn-Ca合金，高純 Mg-Zn-Ca-Fe合金，高純Mg-Mn'合金，高純Mg-Zn-Mn合金，上述合金純凈度均 不小于99.99%。)以不同比例球磨混粉，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速100r/min，球磨時(shí)間約6-10 小時(shí)，100MPa保壓2-3min成型。燒結(jié)先升溫至150-20(TC，保溫4-5h;再升溫
至燒結(jié)溫度300-60CTC (根據(jù)各合金成分不同而不同)，保溫2-4h,爐冷。為獲得合適的可調(diào)節(jié)的力學(xué)性能及腐蝕性能，.本發(fā)明所述高純度鎂及鎂合金 粉系如下材料高純鎂，高純Mg-Zn合金，高純Mg-Zn-Ca合金，高純Mg-Zn-Ca-Fe 合金，高純Mg-Mn合金，高純Mg-Zn-Mn合金，上述合金純凈度均不小于99. 99%。 上述鎂及鎂合金材料的合金元素均是人體所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，其代謝產(chǎn)物對(duì)人體 無(wú)毒副作用，可為人體所吸收。由上述鎂及鎂合金材料制成的多孔鎂骨組織工程 支架材料，其密度與人體骨密度接近，彈性模量和屈服強(qiáng)度與其他金屬材料相比 最接近人骨，可以避免或減輕應(yīng)力遮擋效應(yīng)。采用上述材料不同的成分組成可以 獲得可調(diào)節(jié)的力學(xué)性能及腐蝕性能，滿(mǎn)足人體不同部位骨組織植入的要求。為增強(qiáng)獲得的多孔支架的性能，本發(fā)明所述的原始材料粉體中加入含量 10%-20。/。(體積百分比)的HA (羥基磷灰石)粉末。HA作為天然骨的一種成分，在 人體環(huán)境內(nèi)有很低的溶解度。細(xì)胞經(jīng)體外培養(yǎng)擴(kuò)增后，吸附到多孔鎂支架上， 隨著支架鎂及鎂合金的逐漸降解，細(xì)胞繼續(xù)繁殖生長(zhǎng)，與無(wú)法降解的殘留HA形 成新的具有生命力和相關(guān)功能的骨組織。HA在鎂及鎂合金基體中的分布和大小 大大改善了多孔支架材料的機(jī)械性能，通過(guò)其含量和分布的調(diào)節(jié)，可以使支架得 到不同的機(jī)械性能以適應(yīng)生物體不同部位骨的不同力學(xué)性能，緩解或者避免應(yīng)力 遮擋效應(yīng)。另一方面，HA的添加，降低了pH的增加，改善了細(xì)胞生存環(huán)境，更 在一定程度上提高了鎂在生理鹽水和細(xì)胞溶液中的腐蝕抗力。為獲得合適的孔隙率及孔徑大小，本發(fā)明選擇尿素(CO (NH2) 2)作為造孔 劑，其特點(diǎn)是不吸收水分，在室溫不易分解，加熱過(guò)程易于分解且不與支架材料 發(fā)生反應(yīng)，分解后在基體內(nèi)無(wú)殘留。造孔劑的體積比為20%-70%。在該范圍內(nèi)， 本發(fā)明材料的孔隙率為20%-70%，孔徑大小隨孔隙率的不同分布范圍也有所不 同，孔徑大小總體范圍在100 P m -800 u m。骨組織工程支架孔徑尺寸大于150 u m 時(shí)，才能為骨組織的長(zhǎng)入提供理想場(chǎng)所；孔徑尺寸大于200iim，是骨傳導(dǎo)的基 本要求，200-400nm最有利于新骨生長(zhǎng)。當(dāng)孔隙率超過(guò)30%后，孔隙可以相互連' 通，便于新骨組織的長(zhǎng)入?？紫堵试礁?，越有利于新骨的長(zhǎng)入。本發(fā)明的多孔鎂 支架材料的孔徑大小和孔隙率符合骨組織工程支架的材料要求，利于骨細(xì)胞的增 殖繁衍。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。 實(shí)施例1選用顆粒大小為200-300目的純鎂粉(純度》99.99%)，體積含量70%;顆 粒大小〈80um的HA粉末(分析純)，體積含量10%;尿素粉末(分析純)，體積 含量20%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為20%的多孔鎂骨組織工程支 架。該材料孔洞保持圓形或近似橢圓形，孔洞大部分連通分布，孔徑大小約為 100wm-200ym。壓縮屈服強(qiáng)度約28MPa，可在生物體液或血液環(huán)境中降解吸收， 降解速度約為0. 14毫克/月。實(shí)施例2選用顆粒大小為200-300目的高純Mg-Zn-Ca合金粉(純度>99. 99%)，體積 含量60%;顆粒大小〈80um的HA粉末(分析純)，體積含量10%;尿素粉末(分 析純)，體積含量30%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為30%的多孔鎂骨 組織工程支架。該材料孔洞形狀較好，保持圓形或近似橢圓形，孔洞大部分連通 分布，孔徑大小約為150u m-300um。壓縮屈服強(qiáng)度約19. 5MPa,可在生物體液 或血液環(huán)境中降解吸收，降解速度約為0. 22毫克/月。實(shí)施例3采用顆粒大小200-300目的高純Mg-Mn合金粉(純度》99.99%)體積含量 50%;顆粒大小〈80um的HA粉末(分析純)，體積含量15%;尿素粉末(分析純)， 體積含量35%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為35%的多孔鎂骨組織工 程支架。該材料孔洞保持圓形或近似橢圓形，孔洞大部分連通分布，孔徑大小約 為150ym-400um。壓縮屈服強(qiáng)度約16. 2MPa，可在生物體液或血液環(huán)境中降解 吸收，降解速度約為0. 25毫克/月。實(shí)施例4選用顆粒大小為200-300目的高純Mg-Zn合金粉(純度》99. 99%)，體積含 量40%;顆粒大小〈80um的HA粉末(分析純)，體積含量10%;尿素粉末(分析 純)，體積含量50%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為50%的多孔鎂骨組 織工程支架。該材料孔洞為長(zhǎng)橢圓形，孔洞較大且連通分布，孔徑大小約為 200ixm -500pm。壓縮屈服強(qiáng)度約6. 5MPa，可在生物體液或血液環(huán)境中降解吸 收，降解速度約為0.35毫克/月。 實(shí)施例5釆用顆粒大小200-300目的高純Mg-Zn-Ca-Fe合金粉(純度》99. 99%)體積 含量20%;顆粒大小〈80um的HA粉末(分析純)，體積含量20%;尿素粉末(分 析純)，體積含量60%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為50%的多孔鎂骨 組織工程支架。該材料孔洞為長(zhǎng)橢圓形，孔洞大且連通分布，孔徑大小約為 300 u m -600 P m。壓縮屈服強(qiáng)度約12. 2MPa，可在生物體液或血液環(huán)境中降解吸 收，降解速度約為0.30毫克/月。實(shí)施例6采用顆粒大小200-300目的高純Mg-Zn-Mn合金粉(純度》99.99%)體積含 量20%;顆粒大小〈80pm的HA粉末(分析純)，體積含量10%;尿素粉末(分析 純)，體積含量70%。采用粉末冶金及燒結(jié)工藝獲得孔隙率約為70%的多孔鎂骨組 織工程支架。該材料孔洞為長(zhǎng)橢圓形，孔洞較大且連通分布，孔徑大小約為 600um-800um。壓縮屈服強(qiáng)度約3.2MPa，可在生物體液或血液環(huán)境中降解吸 收，降解速度約為0.60毫克/月。
權(quán)利要求
1、一種生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材料，其特征在于，各組分及其體積百分比含量高純度鎂及鎂合金粉70％-20％，HA粉10％-20％，造孔劑20％-70％，高純度鎂及鎂合金粉純度大于等于99.99％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材 料，其特征是，所述高純度鎂及鎂合金粉為HA及高純鎂、高純Mg-Zn合金、高 純Mg-Zn-Ca合金、高純Mg-Zn-Ca-Fe合金、高純Mg-Mn合金、高純Mg-Zn-Mn 合金中的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求}所述的生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材 料，其特征是，所述造孔劑為尿素，純度為分析純。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材 料，其特征是，所述HA粉，純度為分析純。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材 料，其特征是，所述支架材料孔隙率為20%-70%。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支 架材料，其特征是，所述支架材料孔徑大小100nm -800um。
全文摘要
一種生物體內(nèi)可降解的多孔鎂基復(fù)合組織工程支架材料，其各組分及其體積百分比含量高純度鎂及鎂合金粉70％-20％，HA粉10％-20％，造孔劑20％-70％，所述高純度鎂及鎂合金粉為HA及高純鎂、高純Mg-Zn合金、高純Mg-Zn-Ca合金、高純Mg-Zn-Ca-Fe合金、高純Mg-Mn合金、高純Mg-Zn-Mn合金，合金純度大于等于99.99％。本發(fā)明采用粉末冶金工藝制備的骨組織工程支架材料，利用鎂在水介質(zhì)中的化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殒V離子，鎂離子通過(guò)體內(nèi)的吸收和腎臟的代謝來(lái)調(diào)節(jié)平衡，從而使支架材料在體內(nèi)逐漸被降解吸收。
文檔編號(hào)A61L27/04GK101156960SQ20071004794
公開(kāi)日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月8日
發(fā)明者張小農(nóng), 李佳楠, 趙常利 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)