生物醫用多孔植入體的製備方法及產品的製作方法
2023-06-06 20:06:26 2
專利名稱：生物醫用多孔植入體的製備方法及產品的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物醫用植入體技術，特別是多孔生物醫用植入體的製備技術。
背景技術：
在生物醫學領域，常採用合金材料製作植入體，合金材料常選擇具有良好生物相 容性等特點的材料，如應用比較廣泛的鎳鈦合金。現有生物醫用植入體的微觀結構為 多孔結構，即植入體本身具有眾多微小的相互連通的孔。由於這種多孔結構的存在， 使得植入體本身具有一定的彈性變化空間，從而使植入體本身的力學性能與自然骨等 周圍生物體環境相匹配。另外，當多孔結構的孔徑大於O.lmm，內連接孔徑(孔之間 連接通道尺寸)大於0.05mm時，植入體在生物體環境內一定時間後，在孔內還可以形 成礦化骨，這使得植入體的固定更加可靠，有利於人體體液傳輸營養成分，可大大縮 短生物體的康復期。多孔植入體作為骨、關節和牙等硬組織的修復和替換外科植入材 料，在生物醫用領域有著廣泛的應用前景。
目前製備生物醫用多孔植入體的方法主要採用粉末冶金的方法。如中國發明專利 01138916.8公開的利用粉末冶金方法製備多孔合金體的方案。發明專利燃燒合成多 孔鎳鈦形狀記憶合金的製備工藝(01138916.8)——以純鈦粉和鎳粉為原料混合製成坯 料，再置於加熱爐中，在惰性氣體氣氛的保護下預熱，當坯料達到最小點火溫度、且 低於70(TC時，採用外熱源點燃坯料的一端，燃燒波自發地蔓延到另一端，合成多孔鎳 鈦形狀記憶合金。利用粉末冶金方法製備生物醫用鎳鈦合金多孔植入體，產品純度高， 投資少，可製備形狀複雜、加工困難的元件，加工程序少。
但是粉末冶金方法製備生物醫用多孔植入體也存在以下問題由於在冶煉過程中 造孔劑和粘結劑揮發，使得形成的孔隙壁上產生大量微孔，當植入體受力時，這些微 孔部位容易造成應力集中導致植入體屈服強度低，植入體的力學性能下降；另外，粉 末冶金方法不容易控制生成的植入體孔隙大小和孔隙度，這就不利於在孔內形成礦化 骨；第三，粉末冶金法製備的多孔植入體中不能保證孔與孔之間有效連通，這不利於
在植入體內營養成分的傳輸，進而不利於礦化骨形成。
發明內容
為了解決現有製備生物醫用多孔植入體技術存在的植入體力學性能下降、不利於 在植入體內形成礦化骨的問題，本發明提供了一種生物醫用多孔植入體的製備方法， 可以有效控制多孔植入體的孔隙度、孔隙大小及孔間的連通，從而不但能保證製成的 植入體的力學性能而且有利於在植入體內形成礦化骨。
本發明的另一目的是提供採用上述多孔植入體製備方法製備的植入體。
本發明的技術方案如下
生物醫用多孔植入體的製備方法包括如下步驟A、 將植入體材質絲交織形成網狀結構體；
B、 將所述網狀結構體壓製成特定形狀的植入體粗坯；
C、 燒結植入體粗坯，使網狀結構體中交叉點處材質絲形成熔接，製備成植入體。 步驟A的實現包括如下細分步驟
Al、將植入體材質絲製備成條帶狀的基本單元，所述基本單元為由植入體材質絲 繞制的螺旋體，或通過彎折植入體材質絲製成的鋸齒結構體，或利用植入體材質絲編 織成的網狀管；
A2、將所述基本單元交織成網狀結構體。
步驟A2的實現包括如下步驟
將基本單元交織成漁網狀結構，將漁網狀結構通過巻曲和/或彎折形成所述網狀結 構體。
所述植入體材質為鎳鈦合金，所述合金中鈦鎳兩種元素的質量比在0.66 1.2範圍 之間，所述合金的含氧量小於500ppm，含碳量小於700ppm，含氫量小於500ppm。 所述鎳鈦合金絲的直徑為0.1mm-0.5mm。
所述螺旋體的螺距為0.5-3mm，螺徑為0.5-3mm;所述鋸齒結構體的齒距為 0.5-3mm，齒高為0.5-3mm;所述網狀管的管徑為0.5-3mm。
燒結植入體粗坯包括如下步驟將植入體粗坯置於真空狀態，800-1400°C下燒結 1-9小時，然後爐冷至室溫，真空度為1.0x10—3-5.0xlO—2Pa。
上述生物醫用多孔植入體的製備方法還包括燒結後在植入體表面形成羥基磷灰石 塗層的步驟。
採用上述方法製備的多孔植入體。
上述多孔植入體的孔隙度為35%-85%，孔徑為0.05-2mm。 本發明的技術效果
採用本發明的技術方案，直接利用植入體材質絲通過彎折、交織等手段製作植入 體，通過上述手段形成植入體的多孔結構，避免了粉末冶金方法在燒結過程中造孔劑 揮發在孔壁上產生微小孔隙，進而導致植入體力學性能下降的問題。另外，本發明的 方法可以在交織植入體材質絲、壓制等步驟中有效控制植入體孔的尺寸和孔隙度，解 決了現有通過粉末冶金法製備的植入體孔隙度、孔隙尺寸難以控制和孔間連通難以保 證的問題，從而解決了由此導致的不利於礦化骨形成的問題。採用本發明的技術方案 使植入體的孔隙度可控，能夠實現根據實際要求製備各種複雜形狀的植入體。
本發明方法可以經過簡單的壓制形成特定形狀與孔隙的植入體進行應用，也可以 將植入體附著上防護層後應用。本發明的植入體塗敷羥基磷灰石塗層可以在孔隙的內 表面上塗敷，能夠有效地保護植入體，延長植入體的使用壽命。
圖1為本發明基本單元的一個實例；
圖2為本發明基本單元的第二個實例； 圖3為本發明基本單元的第三個實例；
4圖4為利用基本單元交織的一個實例。
具體實施例方式
下面詳細說明本發明製備生物醫用多孔植入體的方法。
首先，採用植入體材質絲材製作條帶狀的基本單元。本實施例中植入體的材質為 鈦合金，鎳鈦合金的成份範圍為鈦鎳兩種元素的質量百分比在0.66 1.2範圍之間，鎳 鈦合金的含氧量小於500ppm，含碳量小於700ppm，含氫量小於500ppm，上述參數限 定的鎳鈦合金具有良好的超彈性，可以滿足生物醫用的要求。基本單元的形狀可以是 但不限於圖1至圖3所示的形狀，具體操作方法是將直徑為0.1mm-0.5mm的鎳鈦合金 絲繞製成螺距為0.5-3mm、螺徑為0.5-3mm的螺旋絲構成植入體的基本單元，如圖1 所示。第二種基本單元的製備方法是將0.1mm-0.5mm的鎳鈦合金絲折成齒距0.5-3mm、 齒高0.5-3mm的鋸齒形結構構成植入體的基本單元，如圖2所示。第三種基本單元的 製備方法是將0.1mm-0.5mm的鎳鈦合金絲編織成直徑為0.5-3mm的網狀管構成植入體 的基本單元，如圖3所示。優選的鎳鈦合金絲直徑尺寸還包括0.2mm、0.3mm和0.4mm。 優選的螺距、螺徑尺寸還包括lmm、 1.5mm和2mm。優選的齒距、齒高尺寸還包括 lmm、 1.5mm和2mm。優選的網狀管的直徑(管徑)尺寸還包括lmm、 1.5mm和2mm。 如背景技術部分所介紹，由於植入體孔徑和孔間連接通道的尺寸對於最終是否利於形 成礦化骨有著重要的影響，因此，上述對鎳鈦合金絲的直徑及基本單元相關尺寸的優 選都是為了實現有利的孔的尺寸而設置的。例如上述優選的鎳鈦合金絲的直徑可以使 合金絲彎折時的曲率更適於形成上述孔的尺寸。
第二，將基本單元交織成網狀結構體，即將條帶狀的基本單元繞制，水平鋪排形 成單層多孔網狀薄片(類似漁網狀)。圖4顯示了一種將基本單元交織成單層多孔網狀 薄片的實例，將基本單元繞制，形成垂直交叉的單層多孔網狀薄片，合金絲之間的間 隙應當根據最終需要的植入體孔的尺寸具體確定。將單層多孔網狀薄片緊密蜷曲形成 網狀結構體。
除了圖4顯示的交織基本單元方法外，還可以通過直接將基本單元交織成空間網 狀結構體，免除了將網狀薄片巻曲的步驟。例如將基本單元交織形成類似鳥巢結構的 網狀結構體。
通過後續加工，可以將上述網狀結構體加工成不同形狀的植入體，本實施例中將 上述網狀結構體放入模具中進行壓制形成特定形狀的植入體。壓制的壓力在 20MPa-30MPa之間，壓制時間為20-30分鐘。壓制過程可以控制最終多孔植入體孔的 尺寸與結構，具體方法是通過宏觀控制壓制網狀結構體壓制距離進行控制。壓制後植 入體由於鎳鈦合金絲本身的特性，植入體的形狀與尺寸(微觀孔的尺寸和宏觀尺寸) 會出現回彈現象，為了解決這一問題，可以預先算出可能發生的回彈量，在壓制過程 中可以將這一回彈量通過過壓(即比預定的壓制距離多出一定的餘量)進行消除。上 述經過處理形成的不同形狀的植入體可以直接應用，也可以對其表面進行強化處理後 作為植入體再應用。
第三，將壓制後的植入體粗坯進行燒結。燒結的主要目的是在交織的鎳鈦合金絲形成的交叉點形成熔接。如兩段鎳鈦合金絲交叉點處，在該交叉點兩段合金絲只是搭 接在一起，受到外力後很容易發生相對滑動，這就使得合金絲交織形成的孔的尺寸易 發生變化，進而整個植入體的形狀與結構會發生比較大的變化，這非常不利於植入體 發揮應有的效能。通過燒結，使兩段合金絲在交叉點處熔合，使合金絲不易發生串動， 植入體的形狀與結構穩定。
本發明將經過上述處理的植入體表面塗敷羥基磷灰石塗層，可以提高植入體的使 用壽命，可以採用現有技術在本發明的多孔植入體表面塗敷羥基磷灰石塗層。所述塗 敷塗層的表面包括植入體宏觀的外表面和微觀的孔的內表面。宏觀的外表面如圓柱狀 的植入體的兩個端表面和一個側表面；微觀的孔是指多孔植入體內部的孔結構，由於 孔與孔之間是連通的，因此可以將塗層塗敷到植入體內孔的表面形成防護層。
下面通過五個實例對本發明的植入體製備方法進行說明。
實例1
取直徑為0.1mm、鈦鎳質量比為40: 60的鎳鈦合金絲，將其繞製成螺距為lmm、 螺徑為lmm的螺旋絲構成基本單元，將基本單元垂直交叉鋪排形成單層多孔網狀薄片， 然後緊密蜷曲單層多孔網狀薄片形成網狀結構體，將網狀結構體放入模具中，壓制後成 為植入體粗坯。本實施例中壓制時施加的壓力為20MPa,壓制時間為10分鐘。
於20。C下用混合體積比為1: 1的丙酮與無水乙醇混合溶劑超聲清洗植入體粗坯 20分鐘，然後用混合酸處理20分鐘，混合酸體積比為HF: HN03: H20=1: 2: 3，之 後用去離子水清洗。這是常規的表面清洗步驟，去除合金絲表面的雜質。
接著將植入體粗坯在800°C真空(真空度為5.0xlO—2Pa)下燒結9小時，爐冷至室 溫得到本發明的植入體。
隨後將燒結後的植入體在混合體積比為1: 1的NaOH與過飽和Ca (OH) 2混合 溶液中沸騰處理8小時，其中NaOH的濃度為5M。這是常規的鹼處理手段，目的是使 合金絲表面粗糙，利於後續在表面上形成塗層。
最後對植入體進行陰極電化學沉積，電解液由1.0xlCT3MCa (NO) 3和1.0xl(T3M NaH2P04組成，電解液的PH值為6.1。控制電壓20V，溫度為70°C，沉積時間為O.lh， 電化學沉積結束後即得到表面帶有羥基磷灰石的生物醫用多孔鎳鈦合金植入體，其孔 隙度為50%，孔隙大小為0.05-lmm。
實例2
取直徑為O.lmm、鈦鎳質量比為45: 55的鎳鈦合金絲，將其折成齒距為lmm、 齒高為lmm的鋸齒結構構成基本單元，將基本單元垂直交叉鋪排形成單層多孔網狀薄片， 然後緊密蜷曲單層多孔網狀薄片形成網狀結構體，將網狀結構體放入模具中，壓製成型 後取出植入體粗坯。本實施例中壓制時施加的壓力為25MPa，壓制時間為5分鐘。
於35。C下用混合體積比為1: 1的丙酮與無水乙醇混合溶劑超聲清洗植入體粗坯 22分鐘，然後用混合酸處理40分鐘，混合酸體積比為HF: HN03: H20=1: 2: 3，之 後用去離子水清洗。接著將植入體粗坯在1200°C真空(真空度為5.0xl(T3Pa)下燒結4小時，爐冷至 室溫得到本發明的植入體；隨後將植入體在混合體積比為1: l的NaOH與過飽和 Ca (OH) 2混合溶液中沸騰處理6小時，其中NaOH的濃度為10M。最後對植入體進 行陰極電化學沉積，電解液由6.0xlO—4m Ca (NO) 3和6.0x10—4m NaH2PCU組成，ph 值為7.0，控制電壓10V，溫度為80°C，沉積時間為2h，電化學沉積結束後即得到表 面帶有羥基磷灰石的生物醫用多孔鎳鈦合金植入體，其孔隙度為60%，孔隙大小為 0.05-1.5mm 。
實例3
取直徑為O.lmm、鈦鎳質量比為45: 55的鎳鈦合金絲，將其編織成直徑為1mm 的網狀管構成基本單元，將基本單元垂直交叉鋪排形成單層多孔網狀薄片，然後緊密蜷 曲單層多孔網狀薄片形成網狀結構體，將網狀結構體放入模具中，壓製成型後取出植入 體粗坯。本實施例中施加的壓力為30MPa，壓制時間為8分鐘。
於5(TC下用混合體積比為1: 1的丙酮與無水乙醇混合溶劑超聲清洗植入體粗坯 27分鐘，然後用混合酸處理50分鐘，混合酸體積比為HF: HN03: H20=1: 2: 3，之 後用去離子水清洗。
接著將植入體粗坯在1250°C真空(真空度為1.0x10—3Pa)下燒結2小時，爐冷至 室溫得到本發明的植入體；隨後將植入體在混合體積比為1: l的NaOH與過飽和Ca (OH) 2混合溶液中沸騰處理8小時，其中NaOH的濃度為8M。最後對植入體進行陰 極電化學沉積，電解液由3.0xlO'4M Ca (NO) 3和8.0xl0—5MNaH2PO4組成，PH值為 5.5，控制電壓8V，溫度為90。C，沉積時間為8h，電化學沉積結束後即得到表面帶有 羥基磷灰石的生物醫用多孔鎳鈦合金植入體，其孔隙度為80%，孔隙大小為0.1-2mm。
實例4
取直徑為0.5mm、鈦鎳質量比為50: 50鎳鈦合金絲，將其繞製成螺距為3mm、 螺徑為3mm的螺旋體構成基本單元，將基本單元垂直交叉鋪排形成單層多孔網狀薄片， 然後緊密蜷曲單層多孔網狀薄片形成網狀結構體，將網狀結構體放入模具中，壓製成型 後取出植入體粗坯。本實施例中施加的壓力為30MPa，壓制時間為5分鐘。
於6(TC下用混合體積比為1: 1的丙酮與無水乙醇混合溶劑超聲清洗植入體粗坯 30分鐘，然後用混合酸處理60分鐘，混合酸體積比為HF: HN03: H20=1: 2: 3，之 後用去離子水清洗。
接著將植入體粗坯在1400°C真空(真空度為2.0xlO—2Pa)下燒結1小時，爐冷至 室溫得到本發明的植入體；隨後在混合體積比為1: 1的NaOH與過飽和Ca (OH) 2 混合溶液中沸騰處理5小時，其中NaOH的濃度為10M。最後對植入體進行陰極電化 學沉積，電解液由1.0xl(T4MCa (NO) 3和5.0xl(r5MNaH2PO4組成，PH值為7.2，控 制電壓IV，溫度為100°C,沉積時間為10h，電化學沉積結束後即得到表面帶有羥基 磷灰石的生物醫用多孔鎳鈦合金植入體，其孔隙度為80%，孔隙大小為0.5-2mm。
7實例5
本實例與實例4的區別在於鎳鈦合金絲中鈦鎳質量比為55: 45。 本發明製備的植入體可用於製造齒根和人工關節，還可以攜帶液氮實行血管瘤、 贅生物、瘢痕瘤的深冷治療。本發明製造的植入體能夠在孔內形成礦化骨，與骨組織 形成良好的結合，與傳統植入體相比，可使新生骨組織、脈管系統等更容易長到孔隙 中，大大縮短病人的康復期。
應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明， 但不以任何方式限制本發明。因此，儘管本說明書參照實施方式對本發明己進行了詳 細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或者等同替 換；而一切不脫離本發明的精神和技術實質的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發 明專利的保護範圍當中。
權利要求
1、生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於包括如下步驟A、將植入體材質絲交織形成網狀結構體；B、將所述網狀結構體壓製成特定形狀的植入體粗坯；C、燒結植入體粗坯，使網狀結構體中交叉點處材質絲形成熔接，製備成植入體。
2、 根據權利要求1所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於步驟A的實 現包括如下細分步驟Al、將植入體材質絲製備成條帶狀的基本單元，所述基本單元為由植入體材質絲 繞制的螺旋體，或通過彎折植入體材質絲製成的鋸齒結構體，或利用植入體材質絲編 織成的網狀管；A2、將所述基本單元交織成網狀結構體。
3、 根據權利要求2所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於步驟A2的實現包括如下步驟將基本單元交織成漁網狀結構，將漁網狀結構通過巻曲和/或彎折形成所述網狀結 構體。
4、 根據權利要求2所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於所述植入體 材質為鎳鈦合金，所述合金中鈦鎳兩種元素的質量比在0.66 1.2範圍之間，所述合金 的含氧量小於500ppm，含碳量小於700ppm，含氫量小於500ppm。
5、 根據權利要求4所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於所述鎳鈦合 金絲的直徑為0.1mm-0.5mm。
6、 根據權利要求5所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於所述螺旋體 的螺距為0.5-3mm，螺徑為0.5-3mm;所述鋸齒結構體的齒距為0.5-3mm，齒高為 0.5-3mm;所述網狀管的管徑為0.5-3mm。
7、 根據權利要求4所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於燒結植入體 粗坯包括如下步驟將植入體粗坯置於真空狀態，800-1400°C下燒結1-9小時，然後 爐冷至室溫，真空度為1.0x10—3-5.0xl0—2Pa。
8、 根據權利要求4所述生物醫用多孔植入體的製備方法，其特徵在於還包括燒結 後在植入體表面形成羥基磷灰石塗層的步驟。
9、 採用權利要求1-8之一所述方法製備的多孔植入體。
10、根據權利要求9所述多孔植入體，其特徵在於所述多孔植入體的孔隙度為 35%-85%，孔徑為0.05-2mm。
全文摘要
為了解決現有製備生物醫用多孔植入體技術存在的植入體力學性能下降、不利於植入體內形成礦化骨的問題，本發明提供了一種生物醫用多孔植入體及製備方法。生物醫用多孔植入體的製備方法包括如下步驟將植入體材質絲交織形成網狀結構體；將所述網狀結構體壓製成特定形狀的植入體粗坯；燒結植入體粗坯，使網狀結構中交叉點處材質絲形成熔接，製備成植入體。本發明製備的植入體可用於製造齒根和人工關節等生物醫用多孔鎳鈦合金植入體，還可以攜帶液氮實行血管瘤、贅生物、瘢痕瘤的深冷治療。
文檔編號A61F2/02GK101617965SQ200810115898
公開日2010年1月6日 申請日期2008年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者鄭玉峰, 黃兵民 申請人:北京聖瑪特科技有限公司