用於骨組織修復的多孔鈦人工骨及其製備方法
2023-05-30 07:08:11 1
專利名稱：用於骨組織修復的多孔鈦人工骨及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種生物醫用材料製備技術，特別涉及一種用於骨組織修復的多孔鈦
人工骨及其製備方法，屬於生物醫學材料領域。
背景技術：
理想的骨組織替換材料應滿足組成、結構、外形的仿真以及功能的修復和生物力學相容等條件。目前所有製備人工骨的材料，包括陶瓷、高分子、金屬及複合材料，都各有其優缺點。 以羥基磷灰石(HA)為代表的磷酸鈣類生物陶瓷材料與自然骨的無機成分類似，不僅具有良好的生物相容性和骨傳導性，而且具有骨誘導性，即在不外加生長因子或成骨細胞的非骨環境下能誘導骨的形成，其三維連通的宏觀大孔和在宏觀大孔孔壁上分布的大量微米級的微孔結構在骨誘導中起到了極其重要的作用。但由於其強度低、脆性大以及在生理環境中抗疲勞性差而僅限於非承重部位的骨組織修復。 以鈦及其合金為代表的金屬骨替換材料早已廣泛運用於臨床。鈦具有高強度、良好的抗衝擊性、抗疲勞性和生物相容性而特別適合承重部位的骨組織修復。然而，由於鈦的強度和彈性模量遠大於骨的強度和彈性模量，與骨的力學性能不匹配，使得載荷不能很好地從植入體傳遞到相鄰骨組織而出現應力屏蔽現象，造成植入體周圍出現骨應力吸收，最終導致植入體鬆動失效。 多孔鈦由於其獨特的多孔結構極大地提高了植入體的生物相容性和生物力學相容性，具有以下優點(l)多孔結構有利於成骨細胞的粘附、分化和生長，促進骨長入孔隙，增強植入體和骨的連接，實現生物固定。(2)三維連通的多孔結構有利於水分和營養在植入體內傳輸，促進骨組織再生和重建，加快痊癒過程。(3)多孔鈦的強度和彈性模量可以通過改變孔隙率來調整，達到與被修復骨組織相匹配的力學性能，從而減輕或消除應力屏蔽效應，避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載能力的降低。(4)多孔鈦同時具有優良的強度和韌性，這是多孔聚合物和多孔陶瓷不可比擬的，因而作為一種新型的骨組織修復或替換材料，具有廣闊的應用前景。 目前，已有多種方法用於製備多孔鈦，但是不同的方法製備出的多孔鈦性能相差很大。如(1)鈦粉松裝燒結法和(2)固態發泡法製備的多孔鈦，其孔隙率均較低，且多為閉孔，其中固態發泡法的工藝較為複雜，需要高溫高壓設備；(3)等離子噴塗法製備出的多孔鈦具有較好的貫通性，孔結構為不規則的大孔和微孔，但其孔結構可控性較差，孔隙率較低；(4)空間佔位法製備出的多孔鈦其孔結構，孔尺寸大小以及孔隙率均可控，但最大難點在於大量佔位劑難以從素坯中除去，孔的連通性較差；(5)有機泡沫浸漬法製備的多孔鈦其孔隙率較高且孔徑可控，孔的連通性較好，但隨著注入金屬粉末量的增加和泡沫基體尺寸的減小，內部的孔隙容易被堵塞或者形成空洞，需要緩慢的升溫速率來使泡沫均勻分解，製得的多孔鈦的強度和彈性模量不能與皮質骨匹配；(6)快速成型技術可以精確控制多孔結構，製備出的多孔鈦的孔尺寸大小，孔的形狀及孔隙率的分布都可以精確控制，但所得的孔為直的通孔結構，且在孔壁上無微孔分布，這會影響植入體與骨之間的結合強度。
發明內容
本發明的目的正是為了克服上述現有技術中所存在的不足，提供一種用於骨組織 修復的多孔鈦人工骨的製備方法。該方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨具有以 下特點良好的生物力學相容性；三維連通的孔結構包括互相連通的孔尺寸為100_700微 米，平均孔尺寸為200-500微米的大孔，和在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數十微米的 微孔；孔隙率30_90%可控；且製備工藝簡單，易於操作。
為了實現上述發明目的，本發明採用以下措施構成的技術方案來實現的。
本發明用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，依次包括以下工藝步驟
(1)配料 分別用去離子水配製5-60vo1 %的分散劑溶液5ml、0. 5_10wt %的粘結劑溶液 15ml、以及l-100vol^的雙氧水溶液5ml，將配製好的溶液分別加入容器中配製成混合溶 液； (2)制槳 在上述混合溶液中加入60-100g鈦粉，並充分攪拌混合均勻，製成漿料，使其不能 分層； (3)發泡將製備好的漿料倒入模具中，在40-6(TC溫度下發泡1-4小時，在60-10(TC烘箱中 乾燥至少8小時以上，製得多孔鈦毛坯；
(4)燒結 將多孔鈦毛坯放入真空度不低於10—卞a的高溫真空燒結爐中，以5°C /分鐘的升溫 速度升溫至90(TC，並保溫1小時，然後繼續以3°C /分鐘的升溫速度升溫至1100-1250°C， 再保溫1-3小時，隨爐冷卻，即製得多孔鈦塊體；
(5)加工清洗 將製備好的多孔鈦塊體經機加工成所需要的形狀後，依次用石油醚，丙酮，無水乙 醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水衝洗乾淨後在室溫下晾乾，即得用於骨 組織修復的多孔鈦人工骨。 上述技術方案中，所述分散劑為聚乙二醇，或無水乙醇，或甘油。 上述技術方案中，所述粘結劑為甲基纖維素，或聚乙烯醇。 上述技術方案中，所述雙氧水為分析純雙氧水，其濃度為30wt%。 上述技術方案中，所述鈦粉為工業純鈦粉，或鈦合金粉，或鎳鈦合金粉。 上述技術方案中，所述鈦粉其粒度為200-350目。 上述技術方案中，所述鈦粉其粒度為350目。 本發明一種上述技術方案中任一方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨，該 多孔鈦人工骨為包括互相連通的孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的大孔，和 在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數十微米的微孔；孔隙率30_90%可控；其抗壓強度和 彈性模量在人自然骨範圍內抗壓強度3-193MPa，彈性模量小於25GPa，因而能有效減輕或 消除由於鈦的彈性模量110GPa，遠高於骨的彈性模量而引起的應力屏蔽效應。
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本發明可通過控制配料中雙氧水的濃度，或發泡工藝中的發泡溫度，或發泡時間
來製備出具有不同孔隙率的多孔鈦人工骨，其孔隙率可在30_90%的範圍內調整。 本發明方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨具有以下優點和積極的技術
效果 (1)本發明方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨具有良好的生物力學相 容性；萬能力學測試機測試的多孔鈦的抗壓強度和彈性模量在人自然骨範圍內抗壓強度 3-193MPa，彈性模量小於25GPa，因而能有效減輕或消除由於鈦的彈性模量110GPa，遠高於 骨的彈性模量而引起的應力屏蔽效應，從而避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載 能力的降低，提高植入體的成功率。 (2)本發明方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨具有良好的三維多孔結 構，包括互相連通的孔尺寸為100-700微米，平均孔尺寸為200-500微米的大孔，和在大孔 孔壁上分布的大量幾微米至數十微米的微孔，有利於骨組織的長入以實現生物固定和提高 多孔鈦的生物活性。 (3)本發明方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨其孔隙率可控，通過控制 配料中雙氧水的濃度，或改變發泡工藝中的發泡溫度，或發泡時間，可以製備出具有不同孔 隙率的多孔鈦人工骨，其孔隙率可在30_90%的範圍內調整。
圖1為本發明製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的一個實物圖； 圖2為本發明一個最佳實施例製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的掃描電
鏡圖，其中a)為放大35倍，b)為放大100倍和c)為放大1000倍； 圖3為本發明製備的孔隙率為34-64%的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的抗壓 應力應變曲線圖。
具體實施例方式
下面通過具體實施例並結合效果圖對本發明進行具體的描述和進一步的詳細說 明，但本發明的內容不僅限於實施例中所涉及的內容。
實施例1 本實例用350目的工業純鈦粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為發泡 劑，聚乙二醇作為分散劑，加入甲基纖維素作為粘結劑。 具體操作步驟如下將40vol %的聚乙二醇5ml ， 3wt %的甲基纖維素15ml和 50vol %的雙氧水5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配製成混合溶液待用；接著稱量69g工 業純鈦粉，將其緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層； 將漿料倒入預先準備好的濾紙模具中，放入45°C的烘箱中，發泡2小時，然後升溫到8(TC烘 10小時，脫模後得到多孔鈦毛坯；最後將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結爐 中以5°C /分鐘的升溫速度升溫至90(TC，保溫1小時，然後繼續以3°C /分鐘緩慢升溫至 125(TC，並保溫2小時，隨爐冷卻，製得多孔鈦塊體。將製備好的多孔鈦塊體加工成直徑為 4毫米，高度為10毫米的樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20 分鐘，再用去離子水衝洗乾淨後在室溫下晾乾，即得用於骨組織修復的多孔鈦人工骨。
本實施例製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的孔隙率為70vol% ;其實物圖 如圖1所示。用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的掃描電鏡圖片如圖2中(a)、 (b)和(c) 所示，從圖2(a)中可明顯看出用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的孔隙分布較為均勻，孔 隙相互貫通，圖形分析軟體(Smile View 2. 1，日本)的分析結果顯示孔尺寸主要分布在 100-700 iim，平均大孔尺寸為267. 2± 124. liim;從圖2(b)和(c)中用於骨組織修復的多 孔鈦人工骨的孔壁放大圖可以清晰地看到，孔壁粗糙，有大量的微孔分布。此孔隙結構有利 於組織的長入固定，賦予用於骨組織修復的多孔鈦人工骨更好的生物活性。力學測試結果 表明，用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的抗壓強度為69. 55MPa，彈性模量為0. 40GPa，抗壓 強度和彈性模量在人自然骨範圍內抗壓強度3-193MPa，彈性模量小於25GPa，有利於解決 或減輕植入體和骨之間的應力屏蔽，延長植入體的壽命。從圖3中用於骨組織修復的多孔 鈦人工骨的應力應變曲線可以看到，在彈性變形後有一個較長的應力平臺，對外來衝擊力 可起到緩衝作用，避免外來衝擊力對植入體帶來破壞，保證植入的成功。
實施例2 本實例採用325目工業鎳鈦合金粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為 發泡劑，無水乙醇作為分散劑，加入甲基纖維素作為粘結劑。 具體操作步驟如下將60vol^乙醇5ml，5wt%甲基纖維素15ml和20vol^雙氧 水5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配製成混合溶液待用；接著稱量60g工業鎳鈦合金粉， 將其緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層；將漿料倒入 預先準備好的濾紙模具中，放入40°C的烘箱中，發泡4小時，然後升溫到IO(TC烘8小時，脫 模後得到多孔鈦毛坯；最後將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結爐中以5°C / 分鐘的升溫速度升溫至90(TC，保溫1小時，然後繼續以3°C /分鐘緩慢升溫至IIO(TC，並保 溫3小時，隨爐冷卻，製得多孔鈦塊體。將製備好的多孔鈦塊體經機加工成長10毫米，寬10 毫米，高50毫米的樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘， 再用去離子水衝洗乾淨後在室溫下晾乾，即得用於骨組織修復的多孔鈦人工骨。本實施例 製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的孔隙率為50vol%。
實施例3 採用200目工業鈦合金粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為發泡劑， 甘油作為分散劑，加入聚乙烯醇作為粘結劑。 具體操作步驟如下將5vol^甘油5ml， lwt^聚乙烯醇15ml和100vol^雙氧水 5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配製成混合溶液待用；接著稱量80g工業鈦合金粉，將其 緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層；將漿料倒入預先 準備好的濾紙模具中，放入6(TC的烘箱中，發泡1小時，然後在6(TC烘12小時，脫模後得到 多孔鈦毛坯；最後將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結爐中以5°C /分鐘的升 溫速度升溫至90(TC，保溫1小時，然後繼續以3°C /分鐘緩慢升溫至1250°C，並保溫3小 時，隨爐冷卻，製得多孔鈦塊體。將製備好的多孔鈦塊體經機加工成邊長為IO毫米的立方 體樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水衝 洗乾淨後在室溫下晾乾，即得用於骨組織修復的多孔鈦人工骨。本實施例製備的用於骨組 織修復的多孔鈦人工骨的孔隙率為80vol%。
權利要求
一種用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於依次包括以下工藝步驟(1)配料分別用去離子水配製5-60vol％分散劑溶液5ml、0.5-10wt％粘結劑溶液15ml、以及1-100vol％雙氧水溶液5ml，將配製好的溶液分別加入容器中配製成混合溶液；(2)製漿在上述混合溶液中加入60-100g鈦粉，並充分攪拌混合均勻，製成漿料，使其不能分層；(3)發泡將製備好的漿料倒入模具中，在40-60℃溫度下發泡1-4小時，在60-100℃烘箱中乾燥至少8小時以上，製得多孔鈦毛坯；(4)燒結將多孔鈦毛坯放入真空度不低於10-3Pa的高溫真空燒結爐中，以5℃/分鐘的升溫速度升溫至900℃，並保溫1小時，然後繼續以3℃/分鐘的升溫速度升溫至1100-1250℃，再保溫1-3小時，隨爐冷卻，即製得多孔鈦塊體；(5)加工清洗將製備好的多孔鈦塊體經機加工成所需要的形狀後，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水衝洗乾淨後在室溫下晾乾，即得用於骨組織修復的多孔鈦人工骨。
2. 根據權利要求1所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述分散劑為聚乙二醇，或無水乙醇，或甘油。
3. 根據權利要求1所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述粘結劑為甲基纖維素，或聚乙烯醇。
4. 根據權利要求1所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述雙氧水為分析純雙氧水，其濃度為30wt%。
5. 根據權利要求1所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述鈦粉為工業純鈦粉，或鈦合金粉，或鎳鈦合金粉。
6. 根據權利要求5所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述鈦粉的粒度為200-350目。
7. 根據權利要求6所述用於骨組織修復的多孔鈦人工骨的製備方法，其特徵在於所述鈦粉的粒度為350目。
8. —種上述權利要求中任一方法製備的用於骨組織修復的多孔鈦人工骨，其特徵在於該多孔鈦人工骨為包括互相連通的孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的大孔，和在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數十微米的微孔；孔隙率30_90%可控；其抗壓強度和彈性模量在人自然骨範圍內抗壓強度3-193MPa，彈性模量小於25GPa。
全文摘要
本發明是一種用於骨組織修復的多孔鈦人工骨及其製備方法。該方法以鈦粉為原料，依次通過配料、製漿、發泡、燒結和清洗工藝製得多孔鈦人工骨。即使用分散劑，粘結劑和雙氧水製成混合溶液；在混合溶液中加入鈦粉製成漿料，再發泡乾燥得多孔鈦毛坯；於真空燒結爐中燒結得多孔鈦塊體；加工成所需形狀後，清洗，晾乾，製得用於骨組織修復的多孔鈦人工骨。該人工骨具有孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的互相連通大孔，大孔壁上幾微米至數十微米的微孔結構；孔隙率30％-90％可控；其抗壓強度和彈性模量在人自然骨範圍內抗壓強度3-193MPa，彈性模量小於25GPa；能有效減輕應力屏蔽效應，提高植入體成功率。
文檔編號A61L27/06GK101716368SQ20091026505
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月31日 優先權日2009年12月31日
發明者張興棟, 李虎, 範紅松, 趙朝勇 申請人:四川大學