本發(fā)明涉及一種具有良好生物相容性的鎂合金多層生物復(fù)合材料及其制備方法，即通過對(duì)人體受損骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層螺旋CT的掃描，然后將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理修復(fù)，再通過3D打印、微弧氧化、電化學(xué)沉積等方法制備具有鎂合金/微弧氧化膜層/羥基磷灰石(或氟羥基磷灰石)/聚乳酸生物高分子層結(jié)構(gòu)的植入體復(fù)合材料。(二)
背景技術(shù)：
：目前在臨床應(yīng)用領(lǐng)域，醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金以及鈦合金等幾大類材料，但這幾類材料均存在一些弊端，例如316L不銹鋼在植入人體后有時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕、摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題。鈦合金和不銹鋼材料都具有較大的彈性模量值，在人體內(nèi)會(huì)造成應(yīng)力遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致骨組織愈合遲緩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致植入失敗。此外，不銹鋼和鈦基合金均為生物惰性材料，骨組織修復(fù)后，需要再次手術(shù)取出，增加了患者的痛苦及醫(yī)療費(fèi)用負(fù)擔(dān)。而鎂及鎂合金材料以其良好生物降解性和生物相容性得到廣泛的關(guān)注，更重要的是鎂合金與骨結(jié)構(gòu)的密度和力學(xué)性能相近，可以顯著避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，提高植入的成功率。目前制備生物醫(yī)用鎂合金的方法主要包括：熔煉法、粉末冶金和熔鹽電解法。但傳統(tǒng)工藝方法在制備過程中存在工藝操作難度系數(shù)大、耗能大、成本高、自動(dòng)化低等問題，從而限制了其在醫(yī)用領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用；粉末冶金法在制備過程中燒結(jié)時(shí)間短，容易被氧化，難以控制凝固速度并且難以獲得形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；放電等離子燒結(jié)法的制備過程成本較高且必須在真空環(huán)境下進(jìn)行。而新型的激光增材制造技術(shù)(3D打印)，不僅具有精度高的優(yōu)勢(shì)且在成形過程中能達(dá)到真正的冶金結(jié)合，克服了鎂合金傳統(tǒng)制造工藝所引起的缺點(diǎn)。3D打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等材料，通過逐層熔化和堆積的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。現(xiàn)有的生物工程領(lǐng)域可以通過多層螺旋CT三維重建進(jìn)行3D打印在骨結(jié)構(gòu)方面的構(gòu)建，基于多層螺旋CT的三維重建將共同提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，可以掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。鎂的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，在腐蝕介質(zhì)中極易生成多孔狀的氧化膜，使得鎂合金的機(jī)械性能降低，影響植入體的性能。ZengRC等【ZengRC,WolfgangD,FrankW,etal.Progressandchallengeformagnesiumalloysasbiomaterials[J].Adv.Eng.Mater.,2008,10(8):B3】研究了鎂及其合金在各種模擬體液(simulatedbodyfluid,SBF)中的腐蝕性能，其pH-電位圖表明，鎂合金在水溶液中會(huì)發(fā)生Mg(s)+2H2O(aq)→H2(g)+Mg(OH)2(s)反應(yīng)而造成腐蝕。因此，為了提高鎂合金的抗腐蝕性能，必要的表面改性可以顯著提高鎂合金的抗腐蝕性。微弧氧化技術(shù)(Micro-arcoxidation,MAO)是一種新近發(fā)展起來的表面改性技術(shù)，該技術(shù)是通過微弧放電區(qū)瞬間高溫高壓燒結(jié)直接把基體金屬變成氧化物陶瓷，并獲得較厚的氧化物膜。醫(yī)用合金表面氧化物膜的活化是目前口腔種植材料表面活化中最有前途的一種方法，可以顯著提高鎂合金在人體中的穩(wěn)定性。GUOHuixia等【GUOHui-xia,MAYing,WANGJing-song,etal.Corrosionbehaviorofmicro-arcoxidationcoatingonAZ91DmagnesiumalloyinNaClsolutionswithdifferentconcentrations[J].Trans.NonferrousMet.Soc.China22(2012)1786-1793.】研究了微弧氧化處理后的鎂合金AZ91D在不同濃度的NaCl溶液中的腐蝕行為，結(jié)果表明，試樣的腐蝕速率隨著氯離子濃度的升高而增大，但較未處理的鎂合金，微弧處理后樣品腐蝕性能都得到大大的提升。生物醫(yī)用金屬材料存在導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能差，與其他金屬接觸易腐蝕，金屬離子釋放等問題。為了解決這些問題，羥基磷灰石(HA:Ca10(PO4)6(OH)2)因其具有良好的骨結(jié)合性能、生物相容性而受到廣泛的關(guān)注。羥基磷灰石和骨組織具有類似的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，這種材料植入生物體后在短時(shí)間內(nèi)就具有較大的附著力，可使材料/骨界面形成牢固結(jié)合，有利于移植材料的初始固位，可有效抑制金屬離子向生物體內(nèi)的釋放，此外羥基磷灰石還可以延長(zhǎng)植入體的使用壽命。但是羥基磷灰石易于疲勞失效，對(duì)于負(fù)載植入體，羥基磷灰石涂層更是容易從植入體上脫落。羥基磷灰石本身的機(jī)械性能很差，其抗彎強(qiáng)度低于100MPa。這會(huì)大大降低植入體在體內(nèi)植入的成功率。而通過與鎂合金表面微弧氧化的結(jié)合可以顯著提高鎂合金在人體中的穩(wěn)定性，提升羥基磷灰石層與基體的結(jié)合性能。目前鎂表面氧化物膜活化的重點(diǎn)是如何形成表面含羥基磷灰石的氧化物膜，通常的方法有兩種：一個(gè)是鎂合金表面活性涂層，即通過微弧氧化處理直接在鎂合金表面生成具有生物活性的羥基磷灰石涂層；另一個(gè)是鎂表面活化改性，即通過處理金屬表面后，在鎂表面形成鎂的氧化層，再將材料置于生理環(huán)境或模擬生理環(huán)境中在其表面誘導(dǎo)HA的形成。然而這兩種方法對(duì)于制備環(huán)境具有較高的要求。這其中鎂表面的活化改性需要在高溫高壓的環(huán)境下進(jìn)行且對(duì)操作環(huán)境具有較高的要求，這限制了鎂基體羥基磷灰石涂層的進(jìn)一步應(yīng)用。利用電化學(xué)沉積對(duì)微弧氧化前處理的鎂合金基體進(jìn)行羥基磷灰石的制備，較目前常見的水熱法和熱噴涂法制備羥基磷灰石相比，該方法可顯著降低制備溫度，提高實(shí)驗(yàn)的可操作性，有利于鎂合金/羥基磷灰石復(fù)合材料的推廣。然而單純的電沉積涂層在性能上會(huì)存在易脫落的傾向，導(dǎo)致涂層的使用壽命降低。因此，為進(jìn)一步提高電沉積羥基磷灰石涂層的結(jié)合力和復(fù)合材料的生物相容性，對(duì)表面的羥基磷灰石層可進(jìn)行生物高分子涂層的制備。本發(fā)明通過對(duì)原始的受損骨結(jié)構(gòu)多層螺旋CT掃描進(jìn)行三維重建，采用3D打印技術(shù)進(jìn)行鎂合金材料的制備，然后對(duì)其進(jìn)行表面的微弧氧化處理以提高鎂合金基體的耐腐蝕性，并為接下來的涂層制備做準(zhǔn)備。在電化學(xué)沉積液中進(jìn)行羥基磷灰石涂層的電化學(xué)沉積制備，并進(jìn)行生物高分子層的薄膜制備，通過一系列的工藝處理實(shí)現(xiàn)了鎂合金多層生物復(fù)合材料的制備，獲得高匹配性、高性能的復(fù)合結(jié)構(gòu)。而截至目前，這種系統(tǒng)性、高還原性、高相容性的鎂合金復(fù)合材料的制備還未見報(bào)道。(三)技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明目的是提供一種具有良好生物相容性的鎂合金多層生物復(fù)合材料及其制備方法，以多層螺旋CT三維重建為基礎(chǔ)，進(jìn)行鎂合金植入體基體的3D打印、并對(duì)鎂合金植入體基體進(jìn)行微弧氧化、電化學(xué)沉積以及生物高分子層制備等一系列表面處理制備鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石(HAP)或氟羥基磷灰石(FHAP)層/聚乳酸生物高分子層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體復(fù)合材料。本發(fā)明解決了鎂合金植入體材料耐腐蝕性能差，降解速度快，成骨細(xì)胞依附性低等問題，提高了鎂合金基體的耐腐蝕性能和生物活性，為鎂合金植入體材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供了思路。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：本發(fā)明提供一種鎂合金植入體復(fù)合材料，所述鎂合金植入體復(fù)合材料以鎂合金粉經(jīng)3D打印制作的模型為鎂合金植入體基體，在鎂合金植入體基體表面采用微弧氧化法形成微弧氧化膜層(即微弧氧化陶瓷層)，然后再在微弧氧化膜層表面采用電化學(xué)沉積法形成羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層，最后在羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層表面浸漬形成聚乳酸層(即生物高分子層)；所述微弧氧化法所用微弧氧化液組成為：8～12g/LNa2SiO3、8～12g/LNa3PO4、6～10g/LNaOH、3～7g/LKF，3～8g/LNa2CO3，1～5g/LKOH，50～100mL/L無水乙醇，溶劑為去離子水，pH值自然；所述羥基磷灰石層所用電化學(xué)沉積液組成為：0.042mol/LCa(NO3)2、0.5mol/LNaNO3、0.025mol/LNH4H2PO4、30-50mL/L無水乙醇、30-50mL/L雙氧水、0.004-0.006mol/L烷基酚聚氧乙烯醚OP-21、0.1-0.2mol/L檸檬酸三鈉，溶劑為去離子水，用緩血酸胺和硝酸調(diào)節(jié)pH為4.3-4.5；所述氟羥基磷灰石層電化學(xué)沉積液為向羥基磷灰石層所用電化學(xué)沉積液中添加濃度0.0008mol/LNaF。進(jìn)一步，優(yōu)選微弧氧化液組成為：10g/LNa2SiO3、10g/LNa3PO4、8g/LNaOH、5g/LKF、6g/LNa2CO3，3g/LKOH，75mL/L無水乙醇，溶劑為去離子水，pH值自然。優(yōu)選電化學(xué)沉積液組成為：0.042mol/LCa(NO3)2、0.5mol/LNaNO3、0.025mol/LNH4H2PO4、40mL/L無水乙醇、40mL/L雙氧水、0.005mol/L烷基酚聚氧乙烯醚OP-21、0.15mol/L檸檬酸三鈉，溶劑為去離子水，用緩血酸胺和硝酸調(diào)節(jié)pH為4.4。所述氟羥基磷灰石層電化學(xué)沉積液為向羥基磷灰石層所用電化學(xué)沉積液中添加濃度0.0008mol/LNaF。進(jìn)一步，優(yōu)選所述微弧氧化膜層厚度為20μm～30μm，所述羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層厚度均為4μm～6μm。進(jìn)一步，優(yōu)選所述微弧氧化膜層按如下方法制備：以所述的鎂合金植入體基體為陽極，不銹鋼為陰極，于微弧氧化液中，在頻率為550～650Hz，微弧時(shí)間為15～30min，占空比為15～30％，電流密度為20A/cm2，操作溫度為室溫(優(yōu)選頻率為600Hz，微弧時(shí)間20min，占空比為20％，電流密度為20A/cm2，操作溫度23℃)條件下進(jìn)行微弧氧化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出鎂合金植入體基體，在去離子水中超聲清洗(優(yōu)選15min)，在20-45℃的烘箱中干燥，獲得表面形成微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體基體，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層。進(jìn)一步，優(yōu)選所述羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層按如下方法制備：以表面形成微弧氧化膜層的鎂合金植入體基體為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，在電化學(xué)沉積液中，恒流模式，電流密度為4-6mA/cm2(優(yōu)選5mA/cm2)，沉積溫度為37℃的條件下進(jìn)行電化學(xué)沉積90-150min(優(yōu)選120min)后，將所述的鎂合金植入體基體取出，用去離子水洗凈，室溫晾干；再浸入1-2mol/L(優(yōu)選2mol/L)的NaOH水溶液中，在80℃下浸泡2-4h(優(yōu)選3h)，然后用去離子水反復(fù)洗凈，室溫晾干后，在氬氣或者真空保護(hù)氣氛下于管式爐中進(jìn)行高溫退火處理，以10℃/min的速度升溫至200℃，保溫2h，獲得表面由外至內(nèi)依次形成羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層、微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體基體，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層。所述氟羥基磷灰石層的的制備是將電化學(xué)沉積液改為向羥基磷灰石層所用電化學(xué)沉積液中添加濃度0.0008mol/LNaF，其它操作相同。進(jìn)一步，優(yōu)選所述聚乳酸層的厚度為5μm～10μm。進(jìn)一步，優(yōu)選所述聚乳酸層按如下方法制備：將聚乳酸粉末加入到二氯甲烷中，室溫均勻攪拌6小時(shí)，獲得質(zhì)量濃度2.5％聚乳酸溶液；所述聚乳酸與二氯甲烷質(zhì)量比為2.5：97.5；將表面從外到內(nèi)依次形成羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層、微弧氧化膜層的鎂合金植入體基體浸入聚乳酸溶液中，室溫浸泡20-30s后，以15-25mm/min的恒定速度提出，在通風(fēng)廚內(nèi)室溫晾干，然后去離子水洗凈，室溫晾干，即獲得從外到內(nèi)依次形成聚乳酸層、羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層、微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體復(fù)合材料，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層/聚乳酸層。進(jìn)一步，優(yōu)選所述鎂合金植入體基體按如下方法制備：(1)將受損骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT掃描，獲得受損骨結(jié)構(gòu)的CT掃描數(shù)據(jù)，并輸入到Materialise三維建模軟件，進(jìn)行閾值劃分，然后使用區(qū)域增長(zhǎng)法去除導(dǎo)入圖像的噪音，進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的去除、分割受損骨結(jié)構(gòu)區(qū)域；(2)分割好受損骨結(jié)構(gòu)區(qū)域后，進(jìn)一步通過Materialise三維建模軟件開運(yùn)算獲得受損骨結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后將獲得的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入U(xiǎn)G軟件，獲得數(shù)字化骨缺損三維模型；(3)根據(jù)數(shù)字化骨缺損三維模型，使用CAD軟件設(shè)計(jì)骨缺損模塊，獲得STL模型；(4)將STL模型輸入3D打印設(shè)備，再將鎂合金粉末在球磨機(jī)(XQM-0.4L行星式球磨機(jī))中混合均勻，磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為30min，采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，獲得球磨后的鎂合金粉末(優(yōu)選粒徑為40μm～50μm)；將球磨后的鎂合金粉末加入3D打印設(shè)備，采用激光3D打印成型，激光的功率為100～200W(優(yōu)選150W)，掃描速度20m/min，脈寬1～3ms，頻率0.0Hz，離焦量2～3mm，光斑直徑0.2mm，氬氣或者真空保護(hù)氣氛下打印，單層打印厚度0.04mm，根據(jù)STL模型進(jìn)行打印，獲得胚料；將獲得的胚料置于電化學(xué)工作站(IviumStat)配有攪拌裝置的電解槽中，電解槽內(nèi)拋光液為體積比1:1:20的高氯酸、甘油和冰醋酸的混合液，在30V恒壓模式，加液氮降溫至-5℃，在攪拌速度100～200r/min(優(yōu)選150r/min)的條件下進(jìn)行電化學(xué)拋光操作，獲得電化學(xué)拋光后的胚料，再依次用無水酒精、丙酮和去離子水超聲清洗，室溫下干燥，獲得所述的鎂合金植入體基體。進(jìn)一步，優(yōu)選所述鎂合金粉為AZ91D鎂合金粉末，粒徑為120μm～150μm。本發(fā)明還提供一種所述鎂合金植入體復(fù)合材料的制備方法，所述方法為：(1)將受損骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT掃描，獲得受損骨結(jié)構(gòu)的CT掃描數(shù)據(jù)，并輸入到Materialise三維建模軟件，進(jìn)行閾值劃分，然后使用區(qū)域增長(zhǎng)法去除導(dǎo)入圖像的噪音，進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的去除、分割受損骨結(jié)構(gòu)區(qū)域；(2)分割好受損骨結(jié)構(gòu)區(qū)域后，進(jìn)一步通過Materialise三維建模軟件開運(yùn)算獲得受損骨結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后將獲得的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)輸入U(xiǎn)G軟件，獲得數(shù)字化骨缺損三維模型；(3)根據(jù)數(shù)字化骨缺損三維模型，使用CAD軟件設(shè)計(jì)骨缺損模塊，獲得STL模型；(4)將鎂合金粉末在球磨機(jī)(XQM-0.4L行星式球磨機(jī))中混合均勻，磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為30min，并且采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，獲得球磨后的鎂合金粉末(優(yōu)選粒徑為40μm～50μm)；將STL模型輸入3D打印機(jī)設(shè)備，再將球磨后的鎂合金粉末置于3D打印機(jī)設(shè)備中，采用激光3D打印成型，激光的功率為100～200W(優(yōu)選150W)，掃描速度20m/min，脈寬1～3ms，頻率0.0Hz，離焦量2～3mm，光斑直徑0.2mm，氬氣或者真空保護(hù)氣氛下打印，單層打印厚度0.04mm，根據(jù)STL模型進(jìn)行打印，獲得胚料；將獲得的胚料置于電化學(xué)工作站(IviumStat)配有攪拌裝置的電解槽中，電解槽內(nèi)拋光液為體積比1:1:20的高氯酸、甘油和冰醋酸的混合液，在30V恒壓模式，加液氮降溫至-5℃，在攪拌速度100～200r/min(優(yōu)選150r/min)的條件下進(jìn)行電化學(xué)拋光操作，獲得電化學(xué)拋光后的胚料，再依次用無水酒精、丙酮和去離子水超聲清洗，室溫下干燥，獲得所述的鎂合金植入體基體；(5)以所述的鎂合金植入體基體為陽極，不銹鋼為陰極，于微弧氧化液中，在頻率為550～650Hz，微弧時(shí)間為15～30min，占空比為15～30％，電流密度為20A/cm2，操作溫度為室溫(優(yōu)選頻率為600Hz，微弧時(shí)間20min，占空比為20％，電流密度為20A/cm2，操作溫度23℃)條件下進(jìn)行微弧氧化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后取出所述的鎂合金植入體基體，在去離子水中超聲清洗(優(yōu)選15min)，在20-45℃的烘箱中干燥，獲得表面形成微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體基體，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層；(6)以步驟(5)制備的鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，在電化學(xué)沉積液中，恒流模式，電流密度為4-6mA/cm2(優(yōu)選5mA/cm2)，沉積溫度為37℃的條件下進(jìn)行電化學(xué)沉積90-150min(優(yōu)選120min)后，將所述的鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層取出，用去離子水洗凈，室溫晾干；再浸入1-2mol/L(優(yōu)選2mol/L)的NaOH水溶液中，在80℃下浸泡2-4h(優(yōu)選3h)，然后用去離子水反復(fù)洗凈，室溫晾干后，在氬氣或者真空保護(hù)氣氛下于管式爐中進(jìn)行高溫退火處理，以10℃/min的速度升溫至200℃，保溫2h，獲得表面由外至內(nèi)依次形成羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層、微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體基體，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層；(7)將聚乳酸粉末加入到二氯甲烷中，室溫均勻攪拌6小時(shí)，獲得質(zhì)量濃度2.5％聚乳酸溶液；將步驟(6)制備的鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層浸入聚乳酸溶液中，室溫浸泡20-30s后，以15-25mm/min的恒定速度提出，在通風(fēng)廚內(nèi)室溫晾干，然后去離子水洗凈，室溫晾干，即獲得從外到內(nèi)依次形成聚乳酸層、羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層、微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的的鎂合金植入體復(fù)合材料，記為鎂合金基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層/聚乳酸層。此外，本發(fā)明還提供一種所述鎂合金植入體復(fù)合材料在制備骨修復(fù)材料中的應(yīng)用。本發(fā)明所述室溫指25-30℃。本發(fā)明中微弧氧化膜層、羥基磷灰石層或氟羥基磷灰石層通過控制反應(yīng)時(shí)間來控制厚度，聚乳酸層的厚度通過反復(fù)浸漬、提拉來控制。與現(xiàn)有制備鎂合金植入體的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：(1)本發(fā)明在基體的制備上采用基于多層螺旋CT三維重建的3D打印技術(shù)，解決了傳統(tǒng)鑄造、燒結(jié)等制備方法所引起的工藝復(fù)雜，易氧化，植入體復(fù)原精度低等問題，提高了鎂合金植入體的結(jié)構(gòu)精度和生物相容性；(2)本發(fā)明利用微弧氧化技術(shù)在鎂合金表面制備生物陶瓷涂層可在涂層中引入鈣等對(duì)骨骼生長(zhǎng)有利的元素，獲得特殊微米級(jí)多孔孔洞可以增強(qiáng)組織細(xì)胞與植入體的機(jī)械結(jié)合能力，而優(yōu)異的結(jié)合能力可以滿足鎂合金植入體臨床操作的耐磨性需求和膜層的長(zhǎng)效性；(2)利用電化學(xué)沉積技術(shù)在微弧氧化處理后的鎂合金表面制備羥基磷灰石涂層的方法較傳統(tǒng)的等離子噴涂等方法具有低溫操作，工藝簡(jiǎn)單，可在形狀復(fù)雜和表面多孔的基底上制備均勻涂層的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)羥基磷灰石涂層的引入增強(qiáng)了膜層表面的親水性，有利于蛋白在表面的吸附，顯著改善細(xì)胞的遷移與增長(zhǎng)，提高材料的骨整合，從而有利于骨組織的愈合；(3)本發(fā)明利用浸漬提拉機(jī)對(duì)電沉積處理后的鎂合金植入體進(jìn)行表面高分子層的制備，提高了涂層在體內(nèi)的耐腐蝕性，進(jìn)一步促進(jìn)了骨組織的修復(fù)。本發(fā)明從原始受損骨結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集到最終多涂層復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備，實(shí)現(xiàn)了鎂合金植入體材料的個(gè)性化開發(fā)，獲得了高質(zhì)量的鎂合金植入體復(fù)合材料，其中極化測(cè)試顯示其抗腐蝕性能得到4個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，成骨細(xì)胞培養(yǎng)顯示制備后的鎂合金復(fù)合材料具有更好的骨細(xì)胞促進(jìn)能力。(四)附圖說明圖1是本發(fā)明鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層(或氟羥基磷灰石)/聚乳酸層的復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是實(shí)施例1中微弧氧化后的鎂合金基體表面的掃描電鏡圖，其中a為放大2000倍后，b為放大5000倍后；圖3是實(shí)施例1中鎂合金基體進(jìn)行微弧氧化和電化學(xué)沉積后表面的EDS能譜圖；圖4是實(shí)施例2中微弧氧化和電化學(xué)沉積后的鎂合金基體表面的的掃描電鏡圖，其中圖a為放大1000倍后，b為放大10000倍后。(五)具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此：下述實(shí)例中，鎂合金植入體復(fù)合材料具有多層結(jié)構(gòu)(如圖1)，包括微弧氧化陶瓷層、羥基磷灰石(或氟羥基磷灰石)層和聚乳酸生物高分子層。實(shí)施例11、鎂合金植入體基體的制備(1)將患者骨結(jié)構(gòu)進(jìn)行CT掃描(GELightSpeed16層螺旋CT)，進(jìn)行受損骨結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的采集，數(shù)據(jù)保存為DICOM格式；(2)將獲得的CT掃描數(shù)據(jù)輸入到Materialise三維建模軟件(MaterialiseMagics20)，進(jìn)行閾值劃分，然后使用區(qū)域增長(zhǎng)法去除導(dǎo)入圖像的噪音，進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)的去除、分割受損骨結(jié)構(gòu)區(qū)域；(3)通過Materialise三維建模軟件開運(yùn)算獲得受損骨結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后將獲得的三維數(shù)據(jù)輸入U(xiǎn)G軟件(NX9.0)獲得數(shù)字化骨缺損三維模型，進(jìn)行骨缺損的修復(fù)設(shè)計(jì)；(4)使用計(jì)算機(jī)輔助軟件(CAD)(AutoCAD2010)根據(jù)骨缺損和肢體力線設(shè)計(jì)進(jìn)行骨缺損模塊的設(shè)計(jì)，獲得高質(zhì)量的數(shù)字化模型。(5)將獲得的數(shù)字化模型數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的物體STL模型輸入到3D打印機(jī)(Focus-MD300脈沖激光器)中，將AZ91D鎂合金粉末(粒徑120μm～150μm)在混粉機(jī)中進(jìn)行混合均勻，磨轉(zhuǎn)速為250r/min，球磨時(shí)間為30min，并且采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，獲得球磨后的鎂合金粉末，粒徑為40μm～50μm。將球磨后的鎂合金粉末加入3D打印機(jī)，采用激光3D打印成型，激光的功率為200W，掃描速度20m/min，脈寬2ms，頻率0.0Hz，離焦量2.5mm，光斑直徑0.2mm，氬氣或者真空保護(hù)氣氛下打印，單層打印厚度0.04mm，獲得的胚料進(jìn)行電化學(xué)拋光，拋光液為體積比1:9高氯酸、正無水乙醇的混合液，采用電化學(xué)工作站(IviumStat)并配有帶攪拌裝置的電解槽在恒流模式，電流密度3A/dm2，溫度-5攝氏度(加液氮降溫)，攪拌速度150r/min的條件下進(jìn)行拋光操作，獲得表面粗糙度在70μm左右的胚料；分別采用無水酒精、丙酮、去離子水各自15分鐘的超聲清洗，進(jìn)行胚料表面的脫油脫脂，室溫下干燥，獲得電化學(xué)拋光后的鎂合金植入體基體。(6)以步驟(5)干燥后的鎂合金植入體基體為陽極，不銹鋼為陰極，于微弧氧化液中，在頻率為600Hz，微弧時(shí)間20min，占空比為20％，電流密度為20A/cm2，操作溫度為23℃條件下進(jìn)行微弧氧化處理，在鎂合金植入體基體表面形成20μm微弧氧化膜層，取出，在去離子水中超聲清洗15min，在45℃的烘箱中干燥，獲得表面形成20μm微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體基體，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層。微弧氧化液組成為：10g/LNa2SiO3、10g/LNa3PO4、8g/LNaOH、5g/LKF、6g/LNa2CO3，3g/LKOH，75mL/L無水乙醇，溶劑為去離子水，pH值自然。(7)在三電極系統(tǒng)下進(jìn)行電沉積。以步驟(6)鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層為工作電極，鉑片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，在電化學(xué)沉積液中，恒流模式，電流密度為5mA/cm2，沉積溫度為37℃的條件下進(jìn)行電化學(xué)沉積120min后，將鎂合金植入體基體取出，用去離子水洗凈，室溫晾干；再浸入2mol/L的NaOH水溶液中，在80℃下浸泡3h，將磷酸鈣鹽完全轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石，然后用去離子水反復(fù)洗凈，室溫晾干后，在氬氣或者真空保護(hù)氣氛下進(jìn)行高溫退火處理，提高羥基磷灰石層與微弧氧化層的結(jié)合力，退火溫度為200℃，保溫2h，其中管式爐加熱速度為10℃/min，獲得鎂合金植入體基體表面由內(nèi)至外依次形成20μm微弧氧化膜層，5μm羥基磷灰石(HAP)層的結(jié)構(gòu)，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層，掃描電鏡圖見圖2所示；電化學(xué)沉積液組成為：0.042mol/LCa(NO3)2、0.5mol/LNaNO3、0.025mol/LNH4H2PO4、40mL/L無水乙醇、40mL/L雙氧水、0.005mol/L烷基酚聚氧乙烯醚OP-21、0.15mol/L檸檬酸三鈉，溶劑為去離子水，用緩血酸胺和硝酸調(diào)節(jié)pH為4.4。(8)將PLA粉末(重均分子量15萬)加入到二氯甲烷(DCM:dichloromethane)中，室溫均勻攪拌6小時(shí)，兩者加入質(zhì)量比為2.5:97.5，獲得2.5wt.％的PLA溶液，然后浸入步驟(7)鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層，室溫浸泡25s后，在浸漬提拉機(jī)(上海三研科技產(chǎn)SYDC-100型浸漬提拉鍍膜機(jī))的作用下，以20mm/min的恒定速度下提出，在通風(fēng)廚內(nèi)室溫晾干。然后去離子水洗凈，室溫晾干，即可獲得鎂合金植入體基體表面由內(nèi)至外依次形成25μm微弧氧化膜層，5μm羥基磷灰石層，8μm聚乳酸層的結(jié)構(gòu)，記為鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層/聚乳酸層結(jié)構(gòu)的鎂合金植入體復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示，EDS能譜圖見圖3所示。從圖2中可以看出，羥基磷灰石產(chǎn)物呈桿片狀(圖2中a)，進(jìn)一步放大可以看出(圖2中b)羥基磷灰石間具有一定間隙，且將微弧孔完全覆蓋，涂層均勻有致，這有利于表面生物高分子層的制備，同時(shí)也進(jìn)一步增強(qiáng)了鎂合金植入體的生物相容性。由圖3可以看出，鈣磷原子比達(dá)到2.39，大于理論值1.67，這是由于沉積過程與熱處理時(shí)磷的損失所致。2、鎂合金植入體基體的性能測(cè)試(1)電化學(xué)動(dòng)極化測(cè)試將本實(shí)施例獲得的鎂合金植入體基體復(fù)合材料在Hank溶液(組分為8g/LNaCl，0.4g/LKCl，0.25g/LNaH2PO4·H2O，0.35g/LNaHCO3，0.06g/LNa2HPO4·2H2O，0.19g/LMgCl2，0.19g/LCaCl2·2H2O，0.06g/LMgSO4·7H2O和1g/L葡萄糖，去離子水配制，pH7.8)中進(jìn)行電化學(xué)動(dòng)極化測(cè)試，采用設(shè)備為電化學(xué)工作站(IviumStat)，其具體測(cè)試參數(shù)為：掃描速度為1mV·s-1，掃描范圍為-2.0V到1.0V，步驟1制得的鎂合金植入體復(fù)合材料(AZ91D/MAO/HAP/PLA)作為工作電極，鉑電極作對(duì)電極，飽和甘汞電極作為參比電極，在37℃溫度下進(jìn)行測(cè)試，以步驟(5)的鎂合金植入體基體(鎂合金AZ91D)為對(duì)照，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表1所示：表1.Hank溶液中極化曲線的分析結(jié)果樣品Icorr(A/cm2)Ecorr(V)鎂合金AZ91D2.13×10-7-1.73AZ91D/MAO/HAP/PLA6.84×10-11-1.22由表1可以得到，本案例制備的鎂合金植入體復(fù)合材料的腐蝕電位從未進(jìn)行處理前的-1.73V提升到-1.22V。一般而言，一個(gè)更高的腐蝕電位表明其具有更好的耐腐蝕性能，因此，本案例制備的鎂合金植入體復(fù)合材料顯著提升了鎂合金基體的耐腐蝕性能。從腐蝕電流密度可以看出處理后的基體的腐蝕電流密度降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)，這表明本案例制備的鎂合金復(fù)合涂層材料有效地降低了鎂合金基體的腐蝕速率。動(dòng)極化測(cè)試結(jié)果可以說明，制備的鎂合金復(fù)合涂層材料可以有效提高鎂合金基體的耐腐蝕性能。(2)附著成骨細(xì)胞實(shí)驗(yàn)對(duì)步驟1獲得的鎂合金植入體復(fù)合材料進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)：將從成年兔體內(nèi)獲取的成骨細(xì)胞用pH＝7.5磷酸緩沖液清洗兩遍，然后進(jìn)行離心收集，取細(xì)胞沉淀接種至DMEM培養(yǎng)液中，在5％CO2，37℃下培養(yǎng)1周，獲得的細(xì)胞用pH＝7.5磷酸緩沖液配制成5×105/ml細(xì)胞懸液。將步驟(5)制備的鎂合金植入體基體(鎂合金AZ91D)和步驟(8)制備的鎂合金植入體復(fù)合材料(AZ91D/MAO/HAP/PLA)分別在110℃水蒸汽中滅菌40分鐘，然后分別取5mm×5mm×1mm大小的樣品加入六孔板中，再分別加入5×105/ml成骨細(xì)胞懸液1ml，再加入10ml含有10％胎牛血清(FBS)的DMEM培養(yǎng)液，5％CO2，37℃培養(yǎng)24h，之后用pH＝7.5磷酸緩沖溶液洗板三次移除未附著的細(xì)胞，然后加入0.5ml消化液(胰酶-EDTA)消化，再加入0.5ml的標(biāo)準(zhǔn)消化液(胰酶抑制劑)終止消化，制成細(xì)胞懸液，用Z2型細(xì)胞粒度計(jì)數(shù)儀進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)。其計(jì)數(shù)結(jié)果如下表2所示：表2.成骨細(xì)胞24小時(shí)培養(yǎng)后各組的細(xì)胞計(jì)數(shù)樣品附著細(xì)胞數(shù)目鎂合金AZ91D62000±2000AZ91D/MAO/HAP/PLA71000±2000由表2可得本案例制得的Ti/MAO/HAP/PLC復(fù)合涂層材料具有更多的附著成骨細(xì)胞，這表明制備的Ti/MAO/HAP/PLC復(fù)合涂層材料具有更好的促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)能力，有效地提高了鎂合金基體材料的生物活性。實(shí)施例2步驟(1)～(5)與實(shí)施例1中的條件相同；步驟(6)將實(shí)施例1步驟(6)中的的微弧氧化處理液成分改為：8g/LNa2SiO3、10g/LNa3PO4、8g/LNaOH、3g/LKF、3g/LNa2CO3，1g/LKOH，50mL/L無水乙醇，溶劑為去離子水，pH值自然。微弧氧化的控制參數(shù)改為：頻率為550Hz，微弧時(shí)間為15min，占空比為15％，電流密度為15A/cm2，其余條件不變；獲得鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層。步驟(7)將實(shí)施例1步驟(7)中的電化學(xué)沉積液成分改為：0.042mol/LCa(NO3)2、0.5mol/LNaNO3、0.025mol/LNH4H2PO4、30mL/L無水乙醇、30mL/L雙氧水、0.004mol/L烷基酚聚氧乙烯醚OP-21、0.1mol/L檸檬酸三鈉、0.0008mol/LNaF的沉積液中，溶劑為去離子水，用緩血酸胺和硝酸調(diào)節(jié)pH為4.3。電化學(xué)沉積條件改為：恒流模式，電流密度為4mA/cm2，沉積溫度為37℃，沉積時(shí)間為90min。NaOH的濃度改為1mol/L，浸泡時(shí)間改為2h，其余條件不變，其余條件不變；掃描電鏡見圖4所示。獲得鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層。SEM照片見圖4,。步驟(8將實(shí)施例1步驟(8)中的浸泡時(shí)間改為20s，提升速度改為以15mm/min的恒定速度，其余條件不變。獲得鎂合金植入體復(fù)合材料，/微弧氧化膜層厚度為20μm，羥基磷灰石層厚度為4μm，聚乳酸層厚度為5μm。圖4是本實(shí)施例所得鎂合金基體進(jìn)行微弧氧化以及電化學(xué)氟羥基磷灰石后的SEM照片，從圖中可以看出，電沉積制備的氟羥基磷灰石產(chǎn)物呈納米級(jí)針狀結(jié)構(gòu)，放大后可看到明顯的花狀結(jié)構(gòu)，這是由于微弧氧化孔洞增大了表面面積，促進(jìn)了基體表面的形核率，導(dǎo)致了一個(gè)更低的晶粒尺寸，而低的晶粒尺寸更有利于提高材料的生物活性，增強(qiáng)了鎂合金的生物相容性。同時(shí)，可以明顯看到微弧氧化孔在沉積后得到很好覆蓋，得到覆蓋均勻的表面。實(shí)施例3步驟(1)～(5)與實(shí)施例1中的條件相同；步驟(6)將實(shí)施例1步驟(6)中的的微弧氧化處理液成分改為：12g/LNa2SiO3、12g/LNa3PO4、10g/LNaOH、7g/LKF、8g/LNa2CO3，5g/LKOH，100mL/L無水乙醇，溶劑為去離子水，pH值自然。微弧氧化的控制參數(shù)改為：頻率為650Hz，微弧時(shí)間為30min，占空比為30％，電流密度為20A/cm2，其余條件不變；獲得鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層。步驟(7)將實(shí)施例1步驟(7)中的電化學(xué)沉積液成分改為：0.042mol/LCa(NO3)2、0.5mol/LNaNO3、0.025mol/LNH4H2PO4、50mL/L無水乙醇、50mL/L雙氧水、0.006mol/L烷基酚聚氧乙烯醚OP-21、0.2mol/L檸檬酸三鈉、0.0008mol/LNaF的沉積液中，溶劑為去離子水，用緩血酸胺和硝酸調(diào)節(jié)pH為4.5，電化學(xué)沉積條件改為：恒流模式，電流密度為6mA/cm2，沉積溫度為37℃，沉積時(shí)間為150min。NaOH的濃度改為2mol/L，浸泡時(shí)間改為4h，其余條件不變，其余條件不變；獲得鎂合金植入體基體/微弧氧化膜層/羥基磷灰石層。步驟(8)將實(shí)施例1步驟(8)中的浸泡時(shí)間改為30s，提升速度改為以25mm/min的恒定速度，其余條件不變。獲得鎂合金植入體復(fù)合材料，微弧氧化膜層厚度為30μm，羥基磷灰石層厚度為6μm，聚乳酸層厚度為10μm。當(dāng)前第1頁1 2 3