一種多孔材料的製作方法
2023-08-03 07:11:46 1
本發明涉及一種多孔材料，特別是一種用於醫用植入的多級孔材料。
背景技術：
損傷或病變以及癌變常會造成人體組織的損失，必須藉助醫用植入材料才能痊癒。多孔材料作為醫用植入材料有顯著的優勢，多孔的結構使得植入體的固定更可靠，有利於人體體液營養成分的傳輸，降低彈性模量以減少應力屏蔽，可大大縮短病人的康復期。如多孔鈦用於製備髖關節、種植牙根，多孔鉭用於製備複合髖臼杯、股骨壞死修復棒，多孔羰基磷灰石、多孔生物玻璃用於骨缺損修復等，已取得了較好的效果。
植入體需要一系列性能才能滿足要求，包括提供機械支撐，促進組織再生等，在這些性能中，滲透率是很重要的一個指標，因為植入體植入後必須有充分的血液流動，以保證充足的營養物、生長因子的傳輸，細胞遷移，去除細胞碎片，增加組織傳導潛力，從而刺激組織生長，而滲透率是影響血液流動、細胞進入多孔植入體及營養物、生長因子擴散傳輸的主要因素之一。而且在硬組織修復中，若滲透率不足，植入體會誘導生成軟骨組織，而不是硬骨組織。
為滿足組織再生要求，植入體滲透率應取較大值。目前已報導的醫用植入多孔材料的滲透率數據，如Z-BCP（孔隙率75%，平均孔徑565µm），其滲透率為0.018×10-9m2，HA-60（孔隙率60%，平均孔徑450µm），其滲透率為0.35×10-9m2（Li, S., Wijn, J., Li, J., Layrolle, P., Groot, K., 2003. Macroporous Biphasic Calcium Phosphate Scaffold with High Permeability/Porosity Ratio. Tissue Engineering 9 (3), 535–548.），用造孔劑法製備的多孔鈦（孔隙率78%，平均孔徑488µm），其滲透率為0.389×10-9m2（R.Singh，P.D. Lee，Trevor C. Lindley，R.J. Dashwood , Emilie Ferrie，T. Imwinkelried Characterization of the structure and permeability of titanium foams for spinal fusion devices. Acta Biomaterialia 5 (2009) 477-487），用化學氣相沉積法製備的多孔鉭（孔隙率80.8%，平均孔徑554µm），其滲透率為0.35×10-9m2（D.A.Shimko,V.F. Shimko, E.A. Sander, K.F. Dickson,E. A. Nauman, Effect of Porosity on the Fluid Flow Characteristics and Mechanical Properties of Tantalum Scaffolds,J.Biomed.Mater.Res. B Appl.Biomater.73(2005) 315-324），相對於人體的松質骨滲透率數據值，如跟骨松質骨為0.4-11.0×10-9m2（Grimm, M., Williams, J., 1997. Measurements of permeability in human calcaneal trabecular bone. Journal of Biomechanics 30 (7), 743–745.），人體椎體骨松質骨為1.5-2.1×10-9m2（Nauman, E., Fong, K., Keaveny, T., 1999. Dependence of intertrabecular permeability on flow direction and anatomic site. Annals of Biomedical Engineering 27, 517-524.），因此，現有的作為醫用植入的多孔材料滲透率數值偏低，不利於骨再生，儘管可以通過增大多孔材料的孔隙率及孔徑能使問題得以部分解決，但組織再生對於植入材料的孔徑大小又有要求，並非越大越好，孔隙率過大會使材料強度及剛性不能滿足醫用植入件的要求。儘管CN 201210185031「一種多級（微米/納米）孔結構的仿生人工骨的製備方法」提出了一種多級孔結構植入材料，但並未提及過滲透率要求，且這種製備方法得到的多級孔結構的植入材料，其滲透率仍然不符合植入材料的性能要求，實際上也不能得以很好地應用。
技術實現要素：
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本發明的目的是提供一種新的作為醫用植入材料的多孔材料，這種多級孔材料結構合理，貫通性好，其滲透率的性能指標能較好滿足醫用植入材料的要求。
本發明目的通過如下技術方案實現：
一種多孔材料，包括材料本體，該材料本體是以材料孔徑大小進行分級的具有多級孔腔的多級孔材料；該多級孔材料的滲透率大於0.5×10-9m2。
上述多級孔材料作為醫用植入材料應用。
上述多級孔材料的材料本體是由以材料孔徑大小進行分級的各級孔腔及圍繞形成孔腔的各級腔壁構成。
上述材料本體中的任一級孔腔，至少與相鄰四個孔腔貫通的孔腔在該級孔腔所佔的比例大於85%。由於這種結構的多級孔材料的貫通設計合理，貫通性良好，其材料的滲透率大於0.5×10-9m2。
上述多級孔材料中呈三維空間圍繞構成上級孔腔的腔壁由下級多孔材料構成，貫通性結構設計更加合理，貫通性更加良好，有利於增大多級孔材料的滲透率，其材料的滲透率能大於0.54×10-9m2。
進一步說，上述作為醫用植入材料的多級孔材料，最大一級孔腔平均孔徑為200µm -600µm，其滲透率大於0.5×10-9m2，材料的總孔隙率不低於75%，具有這種結構的多級孔材料更加有利於細胞生長與血管、組織的長入。
進一步，上述作為醫用植入材料的多級孔材料，其最大一級孔腔平均孔徑為300µm -600µm，所述多級孔材料的滲透率大於0.57×10-9m2。
進一步，上述作為醫用植入材料的多級孔材料，其最大一級孔腔平均孔徑為400µm -600µm，所述多級孔材料的滲透率大於0.6×10-9m2。
可以看出，隨著多級孔材料的最大一級孔腔平均孔徑的提高，其滲透率會進一步增大，更加有利於細胞、血管、組織的浸潤生長。
當上述材料本體中的任一級孔腔，至少與相鄰四個孔腔貫通的孔腔在該級孔腔所佔的比例大於85%；呈三維空間圍繞構成上級孔腔的腔壁由下級多孔材料構成；且所述材料本體內的每一級的同級多孔材料自為一連續結構體，同級多孔材料構成的連續結構體的最大外邊界與整個所述材料本體最大空間邊界相當時；所述多級孔材料的滲透率大於0.7×10-9m2。因為這種結構有利於使液體在材料本體的整體內部都能保證流通順暢。
當上述多級孔材料中的每一級的同級多孔材料的孔腔大小均勻，並在所述材料本體內是均勻分布的；所述多級孔材料的滲透率大於0.76×10-9m2。
當上述多級孔材料分級級數為三級，最大一級孔腔平均孔徑為200µm -600µm，最小級孔腔孔徑為納米級孔，第二級孔腔的孔徑介於最大級孔腔與最小級孔腔的孔徑之間，材料的總孔隙率不低於75%時，所述多級孔材料的滲透率大於1.5×10-9m2。這種多級孔材料的滲透率能更加滿足醫用植入材料的應用性能要求。
本發明的有益效果：
（1）本發明提供了一種新的醫用植入多級孔材料，其貫通結構設計合理，貫通性良好，使滲透率大於0.5×10-9m2，有利於滿足人體植入材料對滲透率的需求，特別是當最大一級孔腔平均孔徑為適宜於細胞生長的200µm-600µm時，仍具有良好的滲透性，從而保證了充分的血液流動，實現有充足的營養物、生長因子的傳輸，細胞遷移，去除細胞碎片，增加組織傳導潛力，從而刺激組織生長，能充分滿足人體組織再生需求，對於具有納米孔腔的三級孔結構的醫用植入多孔材料，具有多種功能，效果則更佳：檢測證明，它不僅滲透率顯著提高，而且第三級納米孔能承載很多的藥物與生長因子，並有利於細胞的的粘附、分化、遷移，第二級孔便於細胞的固定，第一級微米孔便於血管、組織長入。
（2）該種醫用植入多級孔材料呈三維空間圍繞構成上級孔腔的腔壁由下級多孔材料構成，有助於增大材料滲透率，每一級的同級多孔材料自為一連續結構體，使得液體流動通道連續、順暢，同級多孔材料構成的連續結構體的最大外邊界與整個所述材料本體最大空間邊界相當，使得滲透率進一步增大，並使材料能滿足多方面的功能需求。
（3）該種醫用植入多孔材料由於其各級孔腔大小均勻且均勻分布，使其性能均勻穩定，而且進一步增大了材料滲透率。
具體實施方式
下面對本發明的具體實施方式作說明，實施方式以本發明技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不僅限於下述的實施方式。
以下詳細給出本發明的實施例：
實施例1：
本實施例的多孔材料為多孔β-磷酸三鈣陶瓷，具有二級孔結構，其大孔腔平均孔徑為200µm，小孔腔平均孔徑為560nm，總孔隙率為75%，其中，大孔腔形成的孔隙率為66%，小孔腔形成的孔隙率為9%，其製備方法為：將平均粒徑為160nm的β-磷酸三鈣陶瓷粉、平均粒徑為710nm 的尿素、平均粒徑為280µm的乙基纖維素按照體積比25：10：72混合，壓成緻密坯體，真空燒結，再按照β-磷酸三鈣陶瓷工藝進行常規後續處理得到具有二級結構的多孔β-磷酸三鈣陶瓷。
參照國家標準GB/T1969-1996 多孔陶瓷滲透率實驗方法，測得上述具有二級孔的多孔β-磷酸三鈣的滲透率為0.51×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例2：
本實施例的多孔材料為多孔羰基磷灰石，具有二級孔結構，其大孔腔、小孔腔孔徑與實施例1相同，總孔隙率為78%，其中，大孔腔形成的孔隙率為68%，小孔腔形成的孔隙率為10%，其製備方法與實施例1類似。
取上述製備的具有二級孔的多孔羰基磷灰石試樣，製備一個20mm×20mm×1mm的平板試樣，用FEINova Nano SEM 400場發射掃描電鏡觀察，兩極孔腔各隨機取40個孔腔，觀察孔腔在製備的平面上與周圍孔腔的貫通情況及孔腔內與下面孔腔的貫通情況，統計每個孔腔與相鄰孔腔貫通的數量，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為36個（佔該級孔腔的90%），小孔腔為35個（佔該級孔腔的87.5%）。
用實施例1同樣方法測得該多孔羰基磷灰石的滲透率為0.53×10-9m2。
由於造孔劑的適當比例配置，保證了各級孔腔的貫通性，達到與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔在該級孔腔所佔的比例大於85%的效果，從而使材料具有較高的滲透率指標。
該種材料作為骨植入材料應用。
實施例3：
本實施例的多孔材料為多孔β-磷酸三鈣陶瓷，具有二級孔結構，其大孔腔平均孔徑為250µm，小孔腔平均孔徑為600nm，總孔隙率為82%，其中，大孔腔形成的孔隙率為73%，小孔腔形成的孔隙率為9%，小孔腔位於大孔腔的腔壁上，製備方法如下：
（1）材料準備
採用平均粒徑為160nm的β-磷酸三鈣陶瓷粉為原料，平均粒徑為690nm 的尿素做為待制多孔β-磷酸三鈣陶瓷的最小一級孔腔的造孔劑，用平均粒徑為690nm的生物玻璃粉作為粘合劑，按照β-磷酸三鈣陶瓷粉：尿素：生物玻璃粉：蒸餾水按體積比1：3：1：13配製成漿料。
採用孔徑為600µm-950µm的聚酯泡沫，將所述漿料用泡沫浸漬法均勻填充其中，形成坯體並乾燥，然後破碎得到顆粒為50µm-70µm的含有原料、造孔劑與聚酯泡沫的混合顆粒。
（2）將混合顆粒、平均粒徑為330µm的乙基纖維素按體積比1：3.5混合後，放入密閉模具壓製成緻密坯體。
（3）將緻密坯體真空燒結；燒結後的坯體按照β-磷酸三鈣陶瓷工藝進行常規後續處理得到具有二級結構的多孔β-磷酸三鈣陶瓷。
混合顆粒中的破碎的聚酯泡沫顆粒在燒結時形成通道，增加了材料的貫通性。
用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），小孔腔為36個（佔該級孔腔的90%）。
用實施例1同樣方法測得該多孔β-磷酸三鈣的滲透率為0.55×10-9m2。
該種材料作為骨植入材料應用。
實施例4：
本實施例的多孔材料為多孔羰基磷灰石，具有二級孔結構，結構及製備方法與實施例3相似，其大孔腔平均孔徑為310µm，小孔腔平均孔徑為700nm，總孔隙率為86%，其中，大孔腔形成的孔隙率為77%，小孔腔形成的孔隙率為9%，用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），小孔腔為36個（佔該級孔腔的90%）。
用實施例1同樣方法測得該多孔羰基磷灰石的滲透率為0.58×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例5：
本實施例的多孔材料為多孔鈦，具有二級孔結構，結構及製備方法與實施例3相似，其大孔腔平均孔徑為500µm，小孔腔平均孔徑為720nm，總孔隙率為86%，其中，大孔腔形成的孔隙率為77%，小孔腔形成的孔隙率為9%，用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），小孔腔為36個（佔該級孔腔的90%）。
用實施例1同樣方法測得該多孔羰基磷灰石的滲透率為0.61×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例6：
本實施例的多孔材料為多孔鈦，具有二級孔結構，結構及製備方法與實施例3相似，且每級多孔材料自為一連續結構體，每一級多孔材料的最大外邊界與整個材料本體空間邊界相當。其大孔腔平均孔徑為600µm，小孔腔平均孔徑為750nm，總孔隙率為86%，其中，大孔形成的孔腔孔隙率為76%，小孔形成的孔腔孔隙率為10%，其製備方法如下：
（1）材料準備
採用平均粒徑為110nm的鈦粉為原料，平均粒徑為830nm 的甲基纖維素做為待制多孔鈦的最小一級孔腔的造孔劑，用平均粒徑為830nm的澱粉作為粘合劑，按照鈦粉：甲基纖維素：澱粉：蒸餾水按體積比1：3.5：1：13配製成漿料。
採用孔徑為550µm-850µm的聚酯泡沫，將所述漿料用泡沫浸漬法均勻填充其中，形成坯體並乾燥，然後破碎得到顆粒為40µm-60µm的含有原料、造孔劑與聚酯泡沫的混合顆粒。
（2）將混合顆粒、平均粒徑為680µm的乙基纖維素按體積比1：4均勻混合後，放入密閉模具壓製成緻密坯體。
（3）將緻密坯體真空燒結；燒結後的坯體按照鈦工藝進行常規後續處理得到具有二級結構的多孔鈦。
用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），小孔腔為36個（佔該級孔腔的90%）。
用實施1相同的方法測得上述具有二級孔的多孔鈦的滲透率為0.71×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例7：
本實施例的醫用植入多孔材料為多孔鈦，具有二級孔結構，與實施例4相似，不同之處為在製備時，將甲基纖維素、乙基纖維素粒徑誤差控制在10%以內，使得製備的多孔鈦孔徑大小均勻，誤差小，並將混合顆粒、乙基纖維素反覆攪拌，充分均勻混合，使孔腔均勻分布。用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：大孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），小孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%）。
用實施1相同的方法測得該具有二級孔的多孔鈦的滲透率為0.77×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例8：
本實施例的醫用植入多孔材料為多孔鉭，具有三級孔結構，其中，均勻分布、相互貫通的第一級孔腔（即最大級孔腔）的腔壁上有均勻分布、相互貫通的第二級孔腔，第二級孔腔的腔壁上有均勻分布、相互貫通的第三級孔腔（即最小級孔腔）；且各級孔腔相互間也彼此貫通。每級多孔鉭自為一連續結構體，每一級多孔鉭的最大外邊界與整個材料本體空間邊界相當。其第三級孔腔平均孔徑為64nm，第二級孔腔平均孔徑為96µm，第一級孔腔平均孔徑為600µm。總孔隙率為93%，其中，第一級孔腔形成的孔隙率為80%，第二級孔腔形成的孔隙率為8%，第三級孔腔形成的孔隙率為5%。
其製備方法是：
（1）材料準備
採用平均粒徑為20nm的鉭粉為原料，平均粒徑為75nm 的澱粉做為待制多孔鉭的最小一級孔腔的造孔劑，用平均粒徑為75nm的硬脂酸作為粘合劑，按照鉭粉：澱粉：硬脂酸：蒸餾水按體積比1：4：1：11配製成漿料。
採用孔徑為550µm-820µm的聚酯泡沫，將所述漿料用泡沫浸漬法均勻填充其中，形成坯體並乾燥，然後破碎得到顆粒為60µm-80µm的含有原料、造孔劑與聚酯泡沫的混合顆粒。
（2）將混合顆粒、平均粒徑為110µm的氯化銨按體積比1：4充分均勻混合後均勻地灌入稜平均直徑為710µm、平均孔徑為670µm的三維貫通的聚酯泡沫中，然後將聚酯泡沫放入密閉模具壓製成緻密坯體。
（3）將緻密坯體真空燒結，燒結後的坯體按照鉭材工藝進行常規後續熱處理得到具有三級孔的多孔鉭。
用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：第一級孔腔為38個（佔該級孔腔的95%），第二級孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%），第三級孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%）。
用實施1相同的方法測得上述具有三級孔的多孔鉭的滲透率為1.52×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。
實施例9：
本實施例的醫用植入多孔材料為多孔鉭，具有三級孔結構，與實施例8相似，但製備時，步驟（2）採用平均孔徑為600µm的三維貫通的聚酯泡沫，製備的多孔鉭總孔隙率為95%，其中，第一級孔腔形成的孔隙率為82%，第二級孔腔形成的孔隙率為8%，第三級孔腔形成的孔隙率為5%。
用實施例2同樣方法檢測貫通性，結果表明，與相鄰4個以上孔腔貫通的孔腔數為：第一級孔腔為38個（佔該級孔腔的95%），第二級孔腔為38個（佔該級孔腔的95%），第三級孔腔為37個（佔該級孔腔的92.5%）。
用實施1相同的方法測得該多孔鉭的滲透率為1.57×10-9m2。該種材料作為骨植入材料應用。