基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，是在鎂基體表面依次設(shè)有鋅、鐵層，所述鎂基體的厚度或直徑為修復(fù)部位骨尺寸的30%-90%，所述鋅、鐵各層的厚度分別根據(jù)鋅、鐵在體外模擬體液中的腐蝕速率來確定。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)早期堅(jiān)強(qiáng)固定促進(jìn)骨愈合，并在體內(nèi)逐漸降解及較低剛度材料的使用過渡到動(dòng)態(tài)固定，最終材料在體內(nèi)完全吸收避免二次手術(shù)取出。即希望結(jié)合早期鐵較高剛度實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)固定，中期鋅低剛度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)固定的優(yōu)勢(shì)，并利用鎂腐蝕速率較快實(shí)現(xiàn)非力學(xué)承載后期快速降解且誘導(dǎo)骨細(xì)胞在材料表面分化生長和血管長入，最終完全吸收，達(dá)到骨修復(fù)目的。本發(fā)明適用于骨折后內(nèi)固定材料隨時(shí)間具有力學(xué)性能變化要求的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【專利說明】基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料及其制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于一種復(fù)合材料的制備方法，尤其涉及一種符合生物骨愈合臨床要求的醫(yī)用復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]骨作為人體最大的組織器官，承擔(dān)著生命活動(dòng)的重要職責(zé)，卻最容易引起缺損，每有數(shù)百萬的骨組織缺損患者需要接受手術(shù)治療。在中國這樣一個(gè)人口大國，據(jù)估計(jì)每年因交通事故和生產(chǎn)安全事故所致創(chuàng)傷骨折、脊柱退行性疾病及骨腫瘤、骨結(jié)核等骨科疾病，造成骨缺損或功能障礙患者超過300萬人且呈逐年上升趨勢(shì)，潛在的市場(chǎng)需求巨大。開展新型實(shí)用化骨修復(fù)材料的研究，對(duì)提高人民群眾壽命和生活質(zhì)量，對(duì)人類修補(bǔ)生命再創(chuàng)健康具有十分重要的意義
[0003]隨著臨床醫(yī)療水平的提高，生物力學(xué)、材料學(xué)及生物學(xué)的進(jìn)步，骨修復(fù)在理論、原則和方法上都有了新認(rèn)識(shí)和長足的發(fā)展。例如骨折固定理念逐漸認(rèn)識(shí)到一味追求加壓堅(jiān)強(qiáng)固定與解剖對(duì)位，并不能促進(jìn)骨折堅(jiān)強(qiáng)愈合，于是從原來強(qiáng)調(diào)生物力學(xué)堅(jiān)強(qiáng)固定的觀點(diǎn)，逐漸演變到以生物學(xué)為主的觀點(diǎn)，即在達(dá)到骨折堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定的同時(shí)，更要注意充分保護(hù)骨折局部的血供，以保證骨折愈合。因此，為適應(yīng)臨床醫(yī)學(xué)新要求，就必須研發(fā)新型骨修復(fù)材料，才能真正達(dá)到治愈病痛，解除患者痛苦的目的。
[0004]為了能夠?qū)崿F(xiàn)生物骨愈合，就要求在實(shí)施內(nèi)固定手術(shù)的時(shí)候選擇理想的內(nèi)固定物。骨組織是人體主要承受負(fù)荷的組織器官，硬組織替代材料是生物醫(yī)學(xué)材料的重要應(yīng)用組成部分，因此作為具有力學(xué)承載的性能要求，金屬材料占有重要的地位，擁有無可比擬的力學(xué)性能。目前，金屬內(nèi)固定物在骨科的臨床應(yīng)用較廣，是最常用的內(nèi)固定材料，其中鈦板是主要臨床應(yīng)用材料。然而，鈦的彈性模量是人骨皮質(zhì)骨的5倍以上，巨大的彈性模量差異，將使兩者間存在應(yīng)力遮擋作用。堅(jiān)固內(nèi)固定鈦材料的高剛度，使固定局部能抵抗外力對(duì)骨折端造成的不利影響，為骨組織的順利愈合創(chuàng)造穩(wěn)定的局部環(huán)境，促進(jìn)早期骨愈合。但骨愈合后，鈦板仍承受部分應(yīng)力，使鈦板下骨組織承受的應(yīng)力難以達(dá)到其生理應(yīng)力水平，長時(shí)間就會(huì)造成骨質(zhì)疏松，骨量減少甚至取板后的再骨折。而且，鈦板在組織內(nèi)會(huì)釋放金屬離子，可引起部分患者術(shù)后不適、鈍痛等，因此作為一種異物需要二次手術(shù)取出。這既增加患者痛苦和醫(yī)療費(fèi)用，又增加了二次手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，隨著醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)的發(fā)展，人們希望植入體的材料只是起到暫時(shí)代替作用，并隨著骨組織的再生而逐漸降解吸收，以最大的限度地減少材料對(duì)機(jī)體的長期影響，避免二次取出植入物造成的手術(shù)痛苦及長期的影響。
[0005]目前，認(rèn)為理想內(nèi)固定材料應(yīng)具備以下兩方面主要特征:(1)良好的生物學(xué)性能。有良好的生物相容性，無抗原性，無抗原性，無排斥反應(yīng)，無致癌、致畸性，無毒副作用，具有生物活性，能促進(jìn)骨折愈合。(2)恰當(dāng)?shù)纳锪W(xué)性能。能夠滿足早期堅(jiān)強(qiáng)固定的要求促進(jìn)骨愈合，同時(shí)通過在體內(nèi)逐漸降解逐步過渡到動(dòng)態(tài)固定，避免引起固定部位的應(yīng)力遮擋達(dá)到生物骨愈合的目的，最終失去力學(xué)性能的材料在體內(nèi)能夠完全吸收避免二次手術(shù)取出。
[0006]生物體內(nèi)可降解吸收材料是生物材料發(fā)展的重要方向。目前臨床應(yīng)用的生物體內(nèi)可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料，如聚乳酸、磷酸鈣等。但由于聚合物材料強(qiáng)度偏低、陶瓷材料的塑韌性較差限制了其廣泛使用。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始對(duì)可生物降解性醫(yī)用金屬材料進(jìn)行了深入的研究，主要集中在鎂及鎂合金、鐵及鐵合金。對(duì)于鋅、鎢等潛在可生物降解醫(yī)用金屬材料也有少量報(bào)道。
[0007]以生物可降解鎂合金為主要代表的具有生物可降解(吸收)特性的新一代醫(yī)用金屬材料的研究受到了人們的特別關(guān)注。這類新型醫(yī)用金屬材料巧妙地利用鎂合金在人體環(huán)境中易發(fā)生腐蝕(降解)的特性，來實(shí)現(xiàn)金屬植入物在體內(nèi)逐漸降解直至最終消失的醫(yī)學(xué)臨床目的。盡管鎂合金作為生物可吸收骨科內(nèi)植物材料有著誘人的應(yīng)用前景。然而研究人員在研究過程中發(fā)現(xiàn)一般商用鎂合金存在腐蝕速度過快的問題，特別是目前絕大部分商用鎂合金在含cr介質(zhì)中呈現(xiàn)嚴(yán)重的局部腐蝕(點(diǎn)腐蝕)而不是臨床上需要的均勻腐蝕。因此，改善鎂合金本身的耐腐蝕性能(特別是均勻腐蝕性能)以及完善表面改性技術(shù)成為鎂合金在骨科內(nèi)植物材料領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
[0008]然而通過研究新型鎂合金降低鎂基材料的腐蝕速度并不能適應(yīng)生物學(xué)骨愈合過程中力學(xué)性能不斷變化的要求。也就是說，鑒于單獨(dú)一種可降解金屬或合金均具有自身性能特點(diǎn)，由于單一金屬或合金無法實(shí)現(xiàn)剛度和腐蝕速率可變，因此無法獨(dú)立完成滿足生物學(xué)骨愈合的理念要求。因此，尋找和設(shè)計(jì)一種滿足臨床要求，力學(xué)性能和降解速度協(xié)調(diào)的金屬材料是目前生物醫(yī)用可降解材料的主要研究趨勢(shì)。材料復(fù)合將是解決這一問題的重要途徑之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對(duì)于上述生物學(xué)骨愈合中力學(xué)性能要求，以及單純鎂金屬及其合金無法適應(yīng)臨床實(shí)際需要，本發(fā)明提供一種基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)骨折內(nèi)固定治療過程中生物學(xué)骨愈合的力學(xué)性能要求。
[0010]本發(fā)明滿足早期堅(jiān)強(qiáng)固定的要求促進(jìn)骨愈合，同時(shí)通過在體內(nèi)逐漸降解以及較低剛度材料的使用逐步過渡到動(dòng)態(tài)固定，避免引起固定部位的應(yīng)力遮擋達(dá)到生物骨愈合的目的，最終失去力學(xué)性能的材料在體內(nèi)能夠完全吸收避免二次手術(shù)取出。也就是說，希望結(jié)合早期鐵較高剛度實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)固定，中期鋅層剛度低且可降解實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)固定的優(yōu)勢(shì)，以及利用鎂腐蝕速率較快特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)非力學(xué)承載后期快速降解且誘導(dǎo)骨細(xì)胞在材料表面分化生長和血管長入，最終完全吸收形成新的具有原來功能和形態(tài)的骨，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。本發(fā)明適用于骨折后內(nèi)固定材料隨時(shí)間具有力學(xué)性能變化要求的梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0011]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，在鎂基體表面依次設(shè)有鋅、鐵層，所述鎂基體的厚度或直徑尺寸為修復(fù)部位骨尺寸的30%_90%，所述鋅、鐵各層材料的厚度分別根據(jù)鋅、鐵材料在體外模擬體液中的腐蝕速率來確定。
[0012]進(jìn)一步講，骨愈合初期，在骨解剖復(fù)位和堅(jiān)強(qiáng)固定要求下，高彈性模量材料可促進(jìn)骨組織生長，因此，堅(jiān)強(qiáng)固定層選擇彈性模量高且降解速率較慢的電鍍鐵層。骨愈合中期，高彈性模量的材料不僅能促進(jìn)骨組織生長，反而會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽效應(yīng)引起骨吸收，需要彈性模量低同時(shí)降解速率相對(duì)較慢的材料與骨組織生長匹配，減少應(yīng)力遮擋及應(yīng)力集中。其特征在于:彈性固定層選擇彈性模量低且降解速率相對(duì)較慢的電鍍鋅層。骨愈合后期，植入材料逐漸降解，由力學(xué)承載過渡到非力學(xué)承載，最終失去力學(xué)性能的材料在體內(nèi)能夠完全被吸收避免二次手術(shù)取出。其特征在于:骨愈合后期選擇彈性模量低且降解速率相對(duì)較快的鎂材料，在完成力學(xué)承載后實(shí)現(xiàn)植入材料的快速降解避免二次手術(shù)取出。
[0013]本發(fā)明在確定鎂基體表面的鋅層和鐵層厚度時(shí)，是根據(jù)骨愈合修復(fù)初期堅(jiān)強(qiáng)固定的要求以及鐵的降解速率計(jì)算堅(jiān)強(qiáng)固定層即電鍍鐵層的厚度；根據(jù)骨愈合修復(fù)中期彈性固定要求以及鋅的降解速率計(jì)算彈性固定層即電鍍鋅層的厚度；根據(jù)骨愈合生長以及力學(xué)承載性能的要求，并結(jié)合鎂降解速率確定骨愈合后期鎂材料基體結(jié)構(gòu)尺寸，可在體內(nèi)吸收避免.~?次手術(shù)取出。
[0014]鋅、鐵各層材料的腐蝕速率參照ASTM G31標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)浸泡實(shí)驗(yàn)試樣失重測(cè)定得出鋅、鐵各層材料在體外模擬體液中的腐蝕速率DR，(參見，M.Moravej，etc.Electroformedpure iron as a new biomaterial for degradable stents:1n vitro degradation andpreliminary cell viability studies.Acta Biomaterialiaj 2010, 6:1843-1851)
[0016]其中:DR-腐蝕速率,單位mm/yr ；ff-失重,單位g ;A_試樣面積,單位cm2 ；t-浸泡時(shí)間，單位h ; P -試樣密度,單位g/cm3 ；
[0017]再根據(jù)生物體骨愈合過程確定上述鐵、鋅各層材料存在的時(shí)間，從而確定鐵、鋅各層材料的厚度；最終，采用電鍍工藝在鎂基體表面依次形成鋅層和鐵層，從而獲得鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料。
[0018]本發(fā)明中制備基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料的方法，首先根據(jù)力學(xué)承載要求得到鎂材料承載結(jié)構(gòu)部分尺寸；其次，根據(jù)腐蝕速率公式計(jì)算鎂材料腐蝕誘導(dǎo)骨生長部分厚度尺寸；再次，根據(jù)腐蝕速率公式計(jì)算鋅、鐵材料層厚度，最后，采用電鍍工藝在鎂基材料表面電鍍鋅層后，再電鍍鐵材料層。由于米用電鍍工藝，各層材料致密結(jié)合可靠，而且各梯度層厚度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)且方便快捷。
[0019]確定各層厚度，按照下述步驟制備基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料:
[0020]步驟一、將鎂基體表面打磨、清洗、干燥，然后浸鋅處理，其溫度為30~50°C，時(shí)間為 5 ~20min ；
[0021]步驟二、將經(jīng)過步驟一處理后的鎂基體進(jìn)行電鍍鋅處理，采用焦磷酸鹽電鍍鋅工藝，參數(shù)為:電壓2~6V，溫度為30~50°C，時(shí)間為5~25min，從而在鎂基體表面獲得厚度為4~20 μ m的鋅層；
[0022]步驟三、對(duì)步驟二獲得的材料進(jìn)行電鍍鐵處理，采用氯化亞鐵為主鹽的電鍍鐵工藝，電鍍參數(shù)為:電壓2~6V，溫度為30~50°C，時(shí)間為5~30min，從而在表面獲得厚度為5~14 μ m的鐵層；至此，制備得到鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0024]本發(fā)明復(fù)合材料在材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能和降解行為等沿著厚度方向呈梯度變化,從而配合生物學(xué)骨愈合不同階段的需求。復(fù)合材料設(shè)計(jì)為由外至內(nèi)由鐵、鋅、鎂三層材料組成。表層的鐵層具有高模量且降解速率慢的特點(diǎn)滿足堅(jiān)強(qiáng)固定的要求；鋅層彈性模量低且降解速率相對(duì)較慢適應(yīng)彈性固定的需要；內(nèi)層鎂材料彈性模量低且降解速率相對(duì)較快，適應(yīng)了由力學(xué)承載到非力學(xué)承載的過渡，且在體內(nèi)能夠完全吸收避免二次手術(shù)取出。
[0025]本發(fā)明公開了一種新型生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法根據(jù)骨愈合不同階段對(duì)材料的降解行為和力學(xué)行為的不同要求結(jié)合材料自身降解行為和力學(xué)性能特點(diǎn)，提出了一種基于生物學(xué)骨愈合理念的可降解梯度復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法，采用已得到廣泛認(rèn)可的鐵、鎂及鋅等可降解生物醫(yī)用材料，設(shè)計(jì)了包括初期鐵層堅(jiān)強(qiáng)固定促進(jìn)解剖復(fù)位有利于骨組織愈合的鍍鐵層；中期鋅層彈性固定，避免應(yīng)力屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的骨吸收現(xiàn)象；后期鎂材料層因腐蝕而快速降解，實(shí)現(xiàn)非力學(xué)承載后期快速降解吸收。本發(fā)明因建立在生物學(xué)骨愈合臨床要求基礎(chǔ)上，并非為了提高鎂及鎂合金的耐蝕性單純的制備涂層，優(yōu)勢(shì)在于合理利用已認(rèn)可生物降解材料的各自特點(diǎn)，采用復(fù)合手段減少了新合金的研發(fā)周期，加速新一代生物醫(yī)用材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。本發(fā)明中的梯度材料降解行為能夠與骨愈合的過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡；采用電鍍?yōu)橹饕に囍苽洌煌荻葘拥暮穸瓤筛鶕?jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)且操作簡單，是一種潛在的新型可降骨折內(nèi)固定材料，具有巨大的研究意義及應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1本發(fā)明基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料示意圖；
[0027]圖2本發(fā)明實(shí)施例1制備大鼠髓內(nèi)釘內(nèi)植物截面形貌掃描和能譜分析圖；
[0028]圖3本發(fā)明實(shí)施例2制備10歲兒童髓內(nèi)釘內(nèi)植物截面形貌掃描和能譜分析圖。
[0029]圖中:1.鐵層，2.鋅層，3.鎂承載結(jié)構(gòu)部分。
【具體實(shí)施方式】
[0030]如圖1所示，本發(fā)明一種基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，在鎂基體表面依次設(shè)有鋅、鐵層，所述鎂基體的厚度或直徑尺寸為修復(fù)部位骨尺寸的30%-90%，所述鋅、鐵各層材料的厚度分別根 據(jù)鋅、鐵材料在體外模擬體液中的腐蝕速率來確定。
[0031]以下通過具體實(shí)施例講述本發(fā)明的梯度材料具體設(shè)計(jì)方法和制備過程。本發(fā)明提供實(shí)施例是為了準(zhǔn)確理解，絕不是限制本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種替換、變化和修改等，均屬于本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0032]實(shí)施例1:
[0033]采用大鼠模型，先按照大鼠的骨愈合過程設(shè)計(jì)材料各梯度層的厚度。植入初期需要彈性模量高且降解相對(duì)緩慢的材料保證堅(jiān)強(qiáng)固定從而有利于骨組織的生長，5周之后，若再為堅(jiān)強(qiáng)固定則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)而引起的骨吸收等問題，影響骨愈合。因此，5周堅(jiān)強(qiáng)固定之后需要的是3周的彈性固定，此時(shí)需要的是彈性模量低些的材料。8周之后骨組織大體修復(fù)完成，需要植入材料快速降解。從生物學(xué)骨愈合力學(xué)性能要求出發(fā)，結(jié)合鐵、鋅鎂材料各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于大鼠的生物學(xué)骨愈合骨髓內(nèi)釘?shù)男滦涂山到忤F鋅鎂基梯度復(fù)合材料。
[0034]參考各梯度層材料腐蝕速率計(jì)算公式，即:
,W
[0035]DR-8.76X104-——


A.I.P
[0036]DR:腐蝕速率(mm/yr) ；W:失重(g) ；A:試樣面積(cm2) ；t:時(shí)間(h) ； P:試樣密度(g/cm3)。
[0037]參照公開文獻(xiàn)報(bào)道，確實(shí)公式中的各參數(shù)及常數(shù)，可得鐵的降解速率約0.14mm/yr (參見:Morave j, Μ.，et al., Electroformed pure iron as a new biomaterial fordegradable stents:1n vitro degradation and preliminary cell viability studies.Acta Biomater, 2010.6(5):p.1843-51.)?因此，要保證在5周左右堅(jiān)強(qiáng)固定，鍍鐵層厚度約為13.4 μ m。同樣可得，鋅的降解速率約0.05mm/yr,(參見:Vojte ▽ ch, D.，etal.Mechanical and corrosion properties of newly developed biodegradableZn-based alloys for bone fixation.Acta Biomaterialia, 2011，7:P.3515 - 3522)要保證在約5-8周時(shí)間段緩慢降解，鍍鋅層厚度應(yīng)約為2.8 μ m。
[0038]鎂基體材料尺寸確定過程如下:
[0039]根據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，骨與鎂的力學(xué)性能相似，或略優(yōu)于骨力學(xué)性能。并參照所采用大鼠的髓內(nèi)腔尺寸以及鎂的腐蝕速率DRl.94mm/yr (Gu, X., et al., In vitro corrosionand biocompatibility of binary magnesium alloys.Biomaterials, 2009.30(4):p.484-98 )，確定大鼠實(shí)驗(yàn)中滿足力學(xué)承載的骨髓內(nèi)釘尺寸，直徑約Imm。
[0040]實(shí)施例1骨髓內(nèi)釘?shù)闹苽溥^程如下:
[0041](I)鎂Φ 10X3mm試樣表面經(jīng)2500號(hào)砂紙打磨，超聲清洗，濾紙吸干，然后浸鋅處理。浸鋅溶液為:ZnSO4.7H2030g/L, K4P2O7.3H20150.0g/L, NaF4.5g/L，Na2C035g/L。浸鋅參數(shù)為:40°C,5min。
[0042](2)將上述材料進(jìn)行電 鍍鋅處理，電鍍?nèi)芤撼煞譃?ZnSO4.7H2015g/L,K4P2O7.3Η20150.0g/L, NaF7.2g/L, C6H1707N320.0g/L, C6H18024P6lml/L, C8H8O30.lg/L,H2NSNH22.0g/L,電鍍參數(shù)為:40°C，6min。獲得厚度約為3 μ m的鍍鋅層。
[0043](3)將上述材料進(jìn)行電鍍鐵處理。電鍍鐵溶液為:FeCl25.6g/L，糖精3g/L，抗壞血酸1.0g/L,十二烷基硫酸鈉0.lg/L。電鍍參數(shù)為:電壓4V，時(shí)間:30min。獲得厚度約為13 μ m的鍍鐵層如圖2所示。
[0044]實(shí)施例2:
[0045]以用于10歲兒童股骨骨折為例，先按照兒童骨愈合過程設(shè)計(jì)材料各梯度層的厚度。植入初期需要彈性模量高且降解相對(duì)緩慢的材料保證堅(jiān)強(qiáng)固定從而有利于骨組織的生長，3周之后，若再為堅(jiān)強(qiáng)固定則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽效應(yīng)而引起的骨吸收等問題，影響骨愈合。因此，7周堅(jiān)強(qiáng)固定之后需要的是3周的彈性固定，此時(shí)需要的是彈性模量低些的材料。7周之后骨組織大體修復(fù)完成，需要植入材料快速降解。從生物學(xué)骨愈合力學(xué)性能要求出發(fā)，結(jié)合鐵、鋅、鎂材料各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于大鼠的生物學(xué)骨愈合骨髓內(nèi)釘?shù)男滦涂山到忤F鋅鎂基梯度復(fù)合材料。
[0046]參考各梯度層材料腐蝕速率計(jì)算公式，即:
「00471 DR = 8.76 X IO4--

A-1-p
[0048]DR:腐蝕速率(mm/yr) ;W:失重(g) ;A:試樣面積(cm2) ;t:時(shí)間(h) ; P:試樣密度(g/cm3)。
[0049]參照公開文獻(xiàn)報(bào)道，確實(shí)公式中的各參數(shù)及常數(shù)，可得鐵的降解速率約0.14mm/yr (Moravej, M.,et al., Electroformed pure iron as a new biomaterial fordegradable stents:1n vitro degradation and preliminary cell viability studies.Acta Biomater, 2010.6(5):p.1843-51)。因此，要保證在3周左右堅(jiān)強(qiáng)固定，鍍鐵層厚度約為 8μπι。同樣可得，鋒的降解速率約 0.05mm/yr (Vojte " ch, D., et al.Mechanical andcorrosion properties of newly developed biodegradable Zn-based alloys for bonefixation.Acta Biomaterialia, 2011，7:P.3515 - 3522)，要保證在約 3-7 周時(shí)間段緩慢降解，鍍鋅層厚度應(yīng)約為4μηι。
[0050]鎂基體材料尺寸確定過程如下:
[0051]根據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，骨與鎂的力學(xué)性能相似，或略優(yōu)于骨力學(xué)性能。并參照骨髓內(nèi)釘?shù)闹睆綖楸恢踩牍乔蛔钫幍?0%的標(biāo)準(zhǔn)以及鎂的腐蝕速率DR為1.94mm/yr(Gu, X.，etal., In vitro corrosion and biocompatibility of binary magnesium alloys.Biomaterials, 2009.30(4):p.484-98)，確定實(shí)驗(yàn)中滿足力學(xué)承載的骨髓內(nèi)釘尺寸，直徑約5mm。
[0052]實(shí)施例2的骨髓內(nèi)釘?shù)闹苽溥^程如下:
[0053](I)鎂Φ 10X3mm試樣表面最終經(jīng)2500號(hào)砂紙打磨，超聲清洗，濾紙吸干，然后浸鋅處理。浸鋅溶液為=ZnSO4.7H2030g/L, K4P2O7.3H20150.0g/L, NaF4.5g/L，Na2C035g/L。浸鋅參數(shù)為:40°C，5min。
[0054](2)將上述材料進(jìn)行電鍍鋅處理。電鍍?nèi)芤撼煞譃?ZnSO4.7H2015g/L,K4P2O7.3Η20150.0g/L, NaF7.2g/L, C6H1707N320.0g/L, C6H18024P6lml/L, C8H8O30.lg/L,H2NSNH22.0g/L,電鍍參數(shù)為:40°C，8min。獲得厚度約為4 μ m的鍍鋅層。
[0055](3)將上述材料進(jìn)行電鍍鐵處理。電鍍鐵溶液為:FeCl25.6g/L，糖精3g/L，抗壞血酸1.(^/1，十二烷基硫酸鈉0.lg/L。電鍍參數(shù)為:電壓4V，時(shí)間:18min。獲得厚度約為8μπι的鍍鐵層如圖3所示。
[0056]表1.不同年齡段所需材料尺寸
[0057]
【權(quán)利要求】
1.一種基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，其特征在于，在鎂基體表面依次設(shè)有鋅、鐵層，所述鎂基體的厚度或直徑尺寸為修復(fù)部位骨尺寸的30%-90%，所述鋅、鐵各層材料的厚度分別根據(jù)鋅、鐵材料在體外模擬體液中的腐蝕速率來確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料，其中，鋅、鐵各層材料的腐蝕速率參照ASTM G31標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)浸泡實(shí)驗(yàn)試樣失重測(cè)定得出鋅、鐵各層材料在體外模擬體液中的腐蝕速率DR:
3.制備如權(quán)利要求1或2所述基于生物學(xué)骨愈合可降解鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料的方法，包括以下步驟: 步驟一、將鎂基體表面打磨、清洗、干燥，然后浸鋅處理，時(shí)間為5~20min ； 步驟二、將經(jīng)過步驟一處理后的鎂基體進(jìn)行電鍍鋅處理，電鍍時(shí)間為5~25min,從而在鎂基體表面獲得厚度為4~20 μ m的鋅層； 步驟三、對(duì)步驟二獲得的材料進(jìn)行電鍍鐵處理，電鍍時(shí)間為5~30min，從而在表面獲得厚度為5~14 μ m的鐵層；至此，制備得到鐵鋅鎂基梯度復(fù)合材料。
【文檔編號(hào)】B32B15/18GK103465542SQ201310424268
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】魏強(qiáng), 李小月, 張善勇, 馬劍雄 申請(qǐng)人:天津大學(xué)