專利名稱:生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，具體的說，是一種以鎂鈣合金為基體，羥基磷灰石為增強(qiáng)體的生 物復(fù)合材料，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鎂及鎂合金具有生物可降解性，是骨組織修復(fù)與替換用理想的金屬材料。它與常用生物金屬材料相比，(I)在人體內(nèi)約有I摩爾，其中約一半儲存在骨組織中。其密度(I. 74 2. Og/cm3)遠(yuǎn)低于醫(yī)用鈦合金(4. 4 4. 5g/cm3),與人骨密度(I. 8 2. lg/cm3)相近。(2)有高的比強(qiáng)度和比剛度，楊氏模量為41 45GPa，不到鈦合金(110 117GPa)的1/2，可有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)。(3)是人體細(xì)胞內(nèi)第二重要的陽離子，其含量僅次于鉀。鎂能激活體內(nèi)多種酶，抑制神經(jīng)異常興奮性，維持核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成、肌肉收縮及體溫調(diào)節(jié)。(4)標(biāo)準(zhǔn)電極電位(-2.37V)很低，在含有Cl—的人體環(huán)境中耐腐蝕性低，形成的氧化物無毒可溶，可隨尿液排除，對身體沒有損害。
鎂及其鎂合金作為可生物降解醫(yī)用金屬材料，其應(yīng)用始于上世紀(jì)初。1907年，Lambotte嘗試用純鎂骨釘固定骨折傷口，但由于鎂基體腐蝕過快以及皮下產(chǎn)生過量氫氣而失敗。從20世紀(jì)90年代起，隨著人們對鎂合金生產(chǎn)技術(shù)等研究的不斷深入，在控制鎂合金耐腐蝕性方面得到了很多提高，鎂合金的生物醫(yī)用性又重新引起人們的關(guān)注。
為了控制鎂合金的降解速率，同時保持其良好的生物相容性，生物材料工作者開展了對生物鎂I丐合金的研制工作。德國學(xué)者B. Denkena等(B. Denkena, F. Witte,C.Podolsky, A. Lucas. Degradable implant made of magnesium alloys. Proc. ofeuspen international conference, 2005)對鎂|丐合金進(jìn)行了腐蝕性能研究。結(jié)果表明，與AZ91相比,鎂韓合金腐蝕更均勻,更適合用作植入材料,但腐蝕速率仍需改善。Zijian Li等(Zijian Li, Xunan Gu, Siquan Lou, YufengZheng, The development of binary MgCaalloys for use as biodegradable materialswithin bone. Biomaterials, 2008)石開究了鎂鈣二元合金的腐蝕性能和生物學(xué)性能。體外腐蝕試驗結(jié)果表明，合金的顯微組織和加工工藝對腐蝕行為有影響。Mg2Ca相的增加會提高合金的腐蝕速率。L-929細(xì)胞毒性試驗表明，鎂鈣合金沒有引起細(xì)胞毒性。同時與商用Ti螺釘相比，MgCa螺釘植入兔子長骨1、2和3月后，其造骨細(xì)胞和骨細(xì)胞活性更高。另外，血清中，合金在不同降解階段濃度沒有明顯變化。新西蘭學(xué)者 Alexis Pietak 等(Alexis Pietak, PatriciaMahoney, George J. Dias,Mark P.Staiger, Bone-like matrix formation onmagnesium and magnesium alloys. JMater Sci Mater Med(2008) 19 :407-415)評價了鎂基材料上體外骨細(xì)胞培養(yǎng)的可行性。研究表明，純鎂、AZ21和MgO. 5Ca等鎂材料支持基質(zhì)細(xì)胞的吸附、分化及向骨狀顯性(可轉(zhuǎn)變?yōu)楣菭罨|(zhì))的轉(zhuǎn)變生長。以上研究表明，鎂鈣合金有良好的生物相容性和均勻的降解行為，但腐蝕速率、生物活性和力學(xué)性能有待改善，目前主要的方法有加工變形、表面改性和合金化。
借鑒工程用鎂合金的設(shè)計思路，加工變形可有效改善鎂鈣合金的力學(xué)性能。Zijian Li 等(Zijian Li, Xunan Gu, Siquan Lou, Yufeng Zheng, Thedevelopment ofbinary MgCa alloys for use as biodegradable materials within bone. Biomaterials,2008)的研究表明，加工方式可改變材料的力學(xué)性能。鑄態(tài)Mg-ICa的極限抗拉強(qiáng)度和形變(71. 38MPa和I. 87% )通過熱軋和熱擠后明顯改善，分別達(dá)到166. 7MPa和3%,239. 63MPa和 10. 63 %。Y. Z. Wan 等(Y. Z. Wan , G. Y. Xiong, H. L. Luo, F. He, Y. Huang, Y. L. Wang,Influence of zinc ionimplantation on surface nano mechanical performance andcorrosion resistance ofbiomedical magnesium—calcium alloys, Applied SurfaceScience, 2007)研究了鎂鈣合金的鋅離子注入。離子注入后，有效改善了合金的表面硬度和模量。德國學(xué)者 B. Denkena 等(B. Denkena, A. Lucas,Biocompatible Magnesium AlloysasAbsorbable Implant Materials-Adjusted Surface and Subsurface PropertiesbyMachining Processes. Annals ofthe CIRP Vol. 56/1/2007)研究了機(jī)械加工對續(xù)隹丐合金性能的影響。結(jié)果表明，通過軋制在Mg3. OCa表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高了材料的表面強(qiáng)度和耐蝕性能。為了提高鎂鈣合金的生物活性及控制它的降解速率，常采用表面改性的方法，在材料表面沉積一層活性較好的物質(zhì)。喬麗英(喬麗英，鎂基生物材料的表面改性和生物相容性研究，博士學(xué)位論文，重慶大學(xué)，2008)系統(tǒng)研究了硬脂酸自組裝膜改性處理后，鎂鈣合金的腐蝕行為和生物學(xué)性能。結(jié)果表明，改性后鎂鈣合金的腐蝕抗力增加；浸泡試驗中，材料表面鈣和磷的沉積速度更快，顯示了更優(yōu)的生物活性。工程上也常常采用合金化的方法提高鎂I丐合金的性能。Y. Ortega等(Y. Ortega, T. Leguey, R. Parej,Tensile fracture behavior of aging hardened Mg-ICa andMg—lCa—lZn alloys.Materials Letters 62(2008)3893-3895)研究了 295-450K溫度區(qū)間，峰時效態(tài)Mgl. OCa和Mgl. OCal. OZn合金的拉伸和斷裂性質(zhì)。在這個溫度范圍內(nèi)，Mgl. OCa的抗拉強(qiáng)度線性減少20%，而Mgl. OCal. OZn下降較少。說明，Mgl. OCal. OZn中的沉淀物在450K時仍然保持了強(qiáng)度。
以上分析可以看出，機(jī)械加工、表面改性或合金化只能改善鎂I丐合金的某一種或兩種性能。作為可承重的骨組織替換與修復(fù)用金屬材料，應(yīng)具有良好的生物相容性，可調(diào)控的降解速率與適宜的強(qiáng)度、韌性、彈性模量、耐磨性等機(jī)械性能，此外良好的成型加工性能也是保證其廣泛應(yīng)用的重要方面。以生物活性材料羥基磷灰石作為增強(qiáng)體，鋅作為微量合金化元素，鎂鈣合金作為基體，通過基體組元含量、增強(qiáng)體尺寸、含量及分布來獲得適宜的力學(xué)性能和降解速率，將有望克服單純鎂合金作為骨科材料所面臨的問題。
輕基磷灰石增強(qiáng)金屬鎂復(fù)合材料的研究較少。德國學(xué)者(Biodegradablemagnesium-hydroxyapaptite metal matrix composites, Biomaterials, 2007 (28);中國專利，公開號CN101330933A)以粉末冶金法制備了羥基磷灰石增強(qiáng)AZ91鎂合金復(fù)合材料。結(jié)果顯示，該材料具有良好的生物相容性；在人造海水和細(xì)胞培養(yǎng)液中，羥基磷灰石的加入都能夠在復(fù)合材料表面形成保護(hù)層，從而提高鎂合金基體的抗腐蝕能力。但德國學(xué)者采用的AZ91中的鋁元素具有神經(jīng)毒性，是導(dǎo)致神經(jīng)錯亂和老年癡呆癥的因素。國內(nèi)學(xué)者陳民芳等(中國專利，公開號CN101185777A)公開了一種可降解納米羥基磷灰石/鎂合金血管內(nèi)支架材料?；逆V合金的合金化元素是鋅和鋯。羥基磷灰石的添加量為0.1% 5%，直徑10 15nm，長100 200nm。這種材料主要用于血管管腔狹窄的治療。
控制鎂合金降解速率、提高其力學(xué)性能和生物活性，是開發(fā)骨組織修復(fù)與替換用可降解鎂合金材料必須解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種可生物降解的、具有良好的力學(xué)性能和生物活性的羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，主要用作骨組織修復(fù)與替換的生物醫(yī)用材料。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料由作為基材的鎂鈣合金和作為增強(qiáng)體的羥基磷灰石混合組成，羥基磷灰石和鎂鈣合金的質(zhì)量比為0.01 50 100。
所述鎂鈣合金組分及質(zhì)量百分比為，Ca 0.01 5%，Zn 0 1%，余量為Mg。
其中，羥基磷灰石和鎂鈣合金優(yōu)化的質(zhì)量比為2 20 100，更優(yōu)化的質(zhì)量比為5 15 : 100。
所述羥基磷灰石至少在一個方向是納米尺度的。
本發(fā)明的有益效果是
I)本發(fā)明具有生物可降解性。金屬鎂在體液中通過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成鎂離子，鎂離子通過體內(nèi)的吸收和腎臟的代謝調(diào)節(jié)平衡，從而使鎂合金材料在體內(nèi)逐漸被吸收降解。增強(qiáng)體羥基磷灰石通過在體液中的溶解與再結(jié)晶，逐步降解并誘導(dǎo)生成新的骨磷灰石。
2)本發(fā)明具有良好的生物相容性。鈣、鋅和鎂都是人體必需的元素，對體內(nèi)細(xì)胞的生長有著重要作用，由它們構(gòu)成的合金體系有良好的生物相容性。
3)本發(fā)明具有可調(diào)的力學(xué)性能。時效過程中，鎂鈣合金的Mg2Ca相析出可提高其強(qiáng)度和蠕變抗力。添加微量鋅后，固溶的鋅抑制淬火空位的形成，進(jìn)一步提高了材料的硬度和彈性模量。羥基磷灰石可以提高鎂合金的強(qiáng)韌性。
4)本發(fā)明具有可控的降解速率。鈣和鋅的含量可改變鎂合金的腐蝕速率。同時添加羥基磷灰石可有效吸附合金基體腐蝕產(chǎn)生的氫氣，使腐蝕均勻進(jìn)行，并誘導(dǎo)形成保護(hù)層，控制合金降解速率。
5)本發(fā)明具有好的生物活性。鎂是鈣成骨的必要元素，因此鎂和鈣離子的共同釋放可能有助于骨愈合。羥基磷灰石本身是生物活性材料，添加后能促進(jìn)造骨細(xì)胞的分化與增殖，提高合金基體的生物活性。
具體實施方式
以下結(jié)合實施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。
本發(fā)明的生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，由作為基材的鎂鈣合金和作為增強(qiáng)體的羥基磷灰石混合組成，羥基磷灰石和鎂鈣合金的質(zhì)量比為0.01 50 100。
所述鎂鈣合金組分及質(zhì)量百分比為，Ca 0.01 5%，Zn 0 1%，余量為Mg，即鎂鈣合金中既可以添加也可以不添加微量元素Zn。
作為一個優(yōu)化的方案，所述羥基磷灰石和鎂鈣合金的質(zhì)量比為2 20 100，更優(yōu)化為5 15 : 100。
作為一個優(yōu)化的方案，羥基磷灰石至少在一個方向是納米尺度的。[0025]本發(fā)明生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料中羥基磷灰石中鈣離子可部分被鎂、鉀、鈉或鋅等離子替換；羥基磷灰石中磷酸根離子可部分被碳酸根、磷酸氫根等離子替換；羥基磷灰石中氫氧根離子可部分被碳酸根、氟離子和氯離子等離子替換。
本發(fā)明生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料是基于以下考慮1、添加合金元素Ca。(I)鈣是構(gòu)成骨骼的主要成分，也是各種生物膜的結(jié)構(gòu)成分，有著重要的生理功能。(2)鈣密度低，可以調(diào)控鎂鈣合金與骨有相似的密度。(3)鎂是鈣成骨的必要元素，因此鎂和鈣離子的共同釋放可能有助于骨愈合。(4)鈣能提高鎂合金的高溫抗氧化性、耐蝕性和時效硬化，提高力學(xué)性能；2、添加微量合金化元素Zn。(I)鋅是不可缺少的營養(yǎng)元素，對生長發(fā)育、物質(zhì)代謝有重要的作用。(2)鋅可提高鎂鈣合金的強(qiáng)度和耐腐蝕性；3、添加羥基磷灰石。(I)可有效吸附合金基體腐蝕產(chǎn)生的氫氣，使腐蝕均勻進(jìn)行。(2)誘導(dǎo)形成保護(hù)層，控制合金降解速率。(3)提高合金基體的生物活性。
本發(fā)明按如下步驟實現(xiàn)上述生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料的合成
I、首先采用高潔凈度熔煉技術(shù)制備鎂鈣合金。
(I)原材料Mg的純度不小于99. 9%，Ca的純度不小于99. 9%，Zn的純度不小于99.75%。Mg、Ca和Zn在鎂鈣合金中的質(zhì)量百分比為，Ca 0.01 5%，Zn 0 1%，其余為Mg。
(2)熔煉過程采用真空或氣氛(C02+SF6、Ar)保護(hù)，采用石墨坩堝熔煉，熔煉溫度在973K以上。當(dāng)采用真空熔煉時，Mg、Ca和Zn同時放入，熔煉溫度在973 1123K之間；當(dāng)采用氣氛保護(hù)熔煉時，先放入Mg，待Mg熔化后，在973 1023K范圍內(nèi)加入Ca和Zn，靜置 一段時間。
(3)鎂熔體在鋼模或銅模中澆注，得到鎂鈣合金鑄錠，澆注前混合均勻。
2、采用粉末冶金法制備羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料。
(I)鎂鈣鑄錠車削成屑后，在球磨機(jī)上磨成粉末，球磨過程中氬氣保護(hù)。
(2)鎂鈣合金粉末和羥基磷灰石粉末在球磨機(jī)上機(jī)械混合均勻。
(3)混合物粉末在模具中冷壓成型。
(4)經(jīng)燒結(jié)和形變加工后制成所需的型材，從型材制成植入體內(nèi)的各種骨組織修復(fù)與替換用醫(yī)療器械。
以下給出5個得到本發(fā)明生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料的實施例。
實施例I :
純度不小于99. 99%的Mg塊120. 1440g，純度不小于99. 999%的Ca顆粒0. 9647g。采用真空熔煉，石墨坩堝。熔煉溫度為1073K。鋼模澆注。鎂鈣鑄錠車削成小段的金屬屑后，用丙酮溶液超聲波清洗，再放入球磨機(jī)中球磨，球磨過程氬氣保護(hù)。球磨約2小時，球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，金屬屑磨成粉末。加入約12. 3428g羥基磷灰石粉末，一起球磨約20分鐘，球磨轉(zhuǎn)速361轉(zhuǎn)/分鐘?；旌暇鶆蚝蟮姆勰┓湃肽＞咧校谌f能試驗機(jī)上冷壓成型。經(jīng)過753K3小時燒結(jié)和該溫度下熱擠壓成型。該材料具有良好的生物學(xué)性能和力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和形變分別為253MPa和8%，可在生物體液中降解吸收。
實施例2 [0041]純度不小于99. 9%的Mg粉82. 6775g,純度不小于99. 999%的Ca顆粒I. 6400g,純度不小于99. 75%的Zn顆粒0. 1652g。采用真空熔煉，石墨坩堝。熔煉溫度為993K。鋼模澆注。鎂鈣鑄錠車削成小段的金屬屑后，用丙酮溶液超聲波清洗，再放入球磨機(jī)中球磨，球磨過程氬氣保護(hù)。球磨約I. 5小時，球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，金屬屑磨成粉末。加入約4. 2358g羥基磷灰石粉末，一起球磨約20分鐘，球磨轉(zhuǎn)速361轉(zhuǎn)/分鐘。混合均勻后的粉末放入模具中，在萬能試驗機(jī)上冷壓成型。經(jīng)過773K3. 5小時燒結(jié)和該溫度下熱擠壓成型。該材料具有良好的生物學(xué)性能和力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和形變分別為232MPa和6%，可在生物體液中降解吸收。
實施例3
純度不小于99. 99%的Mg粉120. 2567g，純度不小于99. 999%的Ca顆粒6. 3831g,純度不小于99. 75%的Zn顆粒I. 0221g。熔煉過程采用氬氣保護(hù)，石墨坩堝。熔煉溫度為1023K。銅模澆注。鎂鈣鑄錠車削成小段的金屬屑后，用丙酮溶液超聲波清洗，再放入球磨機(jī)中球磨，球磨過程氬氣保護(hù)。球磨約2小時，球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，金屬屑磨成粉末。加·入約25. 4002g羥基磷灰石粉末，一起球磨約30分鐘，球磨轉(zhuǎn)速361轉(zhuǎn)/分鐘?；旌暇鶆蚝蟮姆勰┓湃肽＞咧校谌f能試驗機(jī)上冷壓成型。經(jīng)過773K3小時燒結(jié)和該溫度下熱擠壓成型。該材料具有良好的生物學(xué)性能和力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和形變分別為280MPa和3%，可在生物體液中降解吸收。
實施例4
純度不小于99. 99%的Mg粉120. 2370g，純度不小于99. 999%的Ca顆粒0. 2564g。采用真空熔煉，石墨坩堝。熔煉溫度為973K。鋼模澆注。鎂鈣鑄錠車削成小段的金屬屑后，用丙酮溶液超聲波清洗，再放入球磨機(jī)中球磨，球磨過程氬氣保護(hù)。球磨約I. 5小時，球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，金屬屑磨成粉末。加入約0. 2650g羥基磷灰石粉末，一起球磨約24分鐘，球磨轉(zhuǎn)速361轉(zhuǎn)/分鐘。混合均勻后的粉末放入模具中，在萬能試驗機(jī)上冷壓成型。經(jīng)過753K3. 5小時燒結(jié)和該溫度下熱擠壓成型。該材料具有良好的生物學(xué)性能和力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和形變分別為230MPa和12%，可在生物體液中降解吸收。
實施例5
純度不小于99. 9%的Mg塊120. 2234g，純度不小于99. 999%的Ca顆粒I. 2205g,純度不小于99. 9%的Zn顆粒0. 6121g。熔煉過程采用C02+SF6保護(hù)，石墨坩堝。熔煉溫度為923K。銅模澆注。鎂鈣鑄錠車削成小段的金屬屑后，用丙酮溶液超聲波清洗，再放入球磨機(jī)中球磨，球磨過程氬氣保護(hù)。球磨約I. 5小時，球磨轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，金屬屑磨成粉末。加入約60. 1143g輕基磷灰石粉末,一起球磨約I小時,球磨轉(zhuǎn)速300轉(zhuǎn)/分鐘?；旌暇鶆蚝蟮姆勰┓湃肽＞咧校谌f能試驗機(jī)上冷壓成型。經(jīng)過853K下5小時燒結(jié)和該溫度下熱擠壓成型。該材料具有良好的生物學(xué)性能和力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度和形變分別為310MPa和2. 5%，可在生物體液中降解吸收。
權(quán)利要求
1.一種生物可降 解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料由作為基材的鎂鈣合金和作為增強(qiáng)體的羥基磷灰石混合組成，所述鎂鈣合金由純度不小于99. 99%的Mg粉、純度不小于99. 999%的Ca顆粒和純度不小于99. 75%的Zn顆粒組成，三者質(zhì)量比為120. 2567 :6. 3831 :1.0221 ;羥基磷灰石和鎂鈣合金的質(zhì)量比為25. 4002 (120. 2567+6. 3831+1. 0221);所述羥基磷灰石至少在一個方向是納米尺度的。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種生物可降解羥基磷灰石-鎂鈣金屬基復(fù)合材料，屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，所述材料由鎂鈣合金和羥基磷灰石顆粒的混合物組成，鎂鈣合金組分及質(zhì)量百分比為，Ca 0.01～5％，Zn 0～1％，余量為Mg。羥基磷灰石和鎂鈣合金的質(zhì)量比為0.01～50∶100。本發(fā)明采用粉末冶金法制造。本發(fā)明材料基體與增強(qiáng)納米顆粒之間的結(jié)合緊密，納米顆粒分布均勻。本發(fā)明可生物降解，具有良好的力學(xué)性能和生物活性，在骨組織工程支架、骨內(nèi)固定緊固件及骨承重部位缺損修復(fù)等醫(yī)用材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號A61L27/42GKCN101524558 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200910103351
公開日2013年2月27日 申請日期2009年3月11日
發(fā)明者高家誠, 張敏 申請人:重慶大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2),