一種醫用梯度複合材料的製作方法
2023-09-10 14:23:20
一種醫用梯度複合材料的製作方法
【專利摘要】一種醫用梯度複合材料，其包括具有均勻的多孔結構或呈梯度變化的多孔結構的基體和滲入該基體的強化相，所述基體由醫用的金屬絲編織而成，所述強化相為熔點比該金屬絲的熔點低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝滲入所述基體的多孔結構中，然後用化學腐蝕劑進行選擇性腐蝕部分去除該強化相，形成內部實體而外部多孔的醫用梯度複合材料。本發明性能優異，結構合理，製備成本低，具有優良的力學性能、骨傳輸和骨誘導特性，能夠滿足大多數骨填充、骨修復、骨移植應用的要求。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種醫用生物複合材料，具體涉及一種適用於骨修復和骨移植的醫用 梯度複合材料，屬於生物醫用材料【技術領域】。 一種醫用梯度複合材料
【背景技術】
[0002] 人骨組織是一種梯度材料，骨植入材料要求其結構與人骨相同，既要求骨科材料 有優良的骨傳輸和骨誘導特性，同時要求其性能與人骨匹配。傳統的骨科材料主要有實體 材料和多孔材料，但是實體材料的彈性模量比人骨高的多，會引起"應力屏蔽"現象而導致 手術的失敗，並且實體材料骨誘導特性較低；多孔材料雖然有良好的骨傳輸和骨誘導特性， 但是其力學性能往往較低，不能應用在對強度要求較高的骨植入。此外不論是傳統的實體 材料還是多孔材料，其結構與人骨不同，這對骨植入是不利的。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種醫用梯度複合材料，該複合材料 性能與人骨相匹配，結構與人骨相近，以滿足各類人工關節（髖關節、膝關節等）、脊柱融合 材料、骨支撐修復材料等的骨植入需要。
[0004] 本發明解決其技術問題的技術方案是：
[0005] -種醫用梯度複合材料，其包括具有均勻的多孔結構或呈梯度變化的多孔結構的 基體和滲入該基體的強化相，所述基體由醫用的金屬絲編織而成，所述強化相為熔點比該 金屬絲的熔點低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝滲入所述基體的多孔結構 中，然後用化學腐蝕劑進行選擇性腐蝕部分去除該強化相，形成內部實體而外部多孔的醫 用梯度複合材料。
[0006] 作為進一步改進，通過改變所述金屬絲的絲徑或者編織方法控制所述基體的孔徑 和孔隙率，該基體的孔隙率在10% -90%範圍內可調。
[0007] 作為進一步改進，所述的金屬絲為醫用鈦絲、鉭絲、鋯絲或不鏽鋼絲，直徑為 0. 005mm一3mm。
[0008] 作為進一步改進，所述的強化相為鎂、鎂合金、鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鋅或鋅合 金。
[0009] 作為進一步改進，通過控制腐蝕時間來調節強化相的去除體積，調控所述基體與 強化相的體積分數，以調控所述醫用梯度複合材料的結構和力學性能，滿足不同情況下的 使用要求。
[0010] 作為進一步改進，所述的腐蝕時間為3-45分鐘，所述的強化相的體積分數在 0 % -90 %範圍內可調。
[0011] 作為進一步改進，所述的化學腐蝕劑為鹽酸、硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
[0012] 作為進一步改進，所述的梯度複合材料的孔隙率範圍為0%至90%，抗壓強度範 圍為5. 0MPa-300MPa，壓縮彈性模量範圍為100MPa-120GPa。
[0013] 作為進一步改進，所述的梯度複合材料在製備過程中添加Ag、Ca或Sr元素，製備 完成後進行微弧氧化或陽極氧化表面處理。
[0014] 本發明的另一技術方案是：
[0015] 所述醫用梯度複合材料在人工關節、脊柱融合材料和骨支撐修復材料方面的應 用。
[0016] 與現有的骨植入材料相比，本發明具有以下優點：
[0017] 1、具有優良的力學性能、骨傳輸和骨誘導特性；
[0018] 2、顯著降低製備成本；
[0019] 3、性能優異，結構合理，可以滿足大多數骨填充、骨修復、骨移植應用的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明的結構示意圖。
[0021] 圖2是本發明內部的梯度多孔結構的示意圖。
[0022] 圖3是本發明的製備過程示意圖。
[0023] 圖4是本發明的外觀形貌示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 本發明為一種醫用梯度複合材料，如圖1和圖4所示，其基體是通過金屬絲機械繞 制的多孔鈦、多孔鉭、多孔鋯、多孔不鏽鋼等醫用材料，成分可以是單一種類的金屬絲編織 而成，也可以是多種不同種類的金屬絲複合編織而成的，基體多孔材料的製備可以通過控 制金屬絲絲徑或者編織技術來控制其孔徑大小和分布以及孔隙率大小，其結構可以是三維 貫通的均勻多孔結構，也可以是三維貫通的呈梯度變化的多孔結構，如圖2所示。強化相材 料是鎂或鎂合金、鋅或鋅合金、鈦或鈦合金，鋯或鋯合金等比基體金屬絲熔點低的醫用金屬 材料，通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄等工藝方法將強化相金屬滲入到基體的多孔結構中， 得到一種複合結構，然後根據需要通過化學腐蝕劑進行選擇性腐蝕（腐蝕強化相，但不腐 蝕基體金屬絲），部分去除強化相，從而形成外部多孔、內部實體梯度結構的醫用梯度複合 材料，如圖3所示。化學腐蝕劑可以根據基體材料與強化相材料的化學特性不同來選擇， 另外根據對梯度複合材料性能的需要決定強化相去除與否以及去除體積，強化相的去除體 積可以通過控制化學腐蝕時間來實現，以調節內部實體結構與外部多孔結構的相對體積分 數，即各自體積所佔比例，從而調控該醫用梯度複合材料的結構、力學、物理等性能，滿足不 同情況下的使用要求。
[0025] 所述基體的金屬絲直徑在0.005臟-3111111之間，基體的孔隙率在10%-90%範 圍內可調，強化相的體積分數可在〇% -90%可調。所述梯度複合材料的孔隙率可以 在0%至90%範圍任意調控，抗壓強度範圍在5.010^-30010^，壓縮彈性模量範圍在 100MPa-120GPa。
[0026] 所述梯度複合材料在製備過程中可以添加 Ag、Ca、Sr等殺菌或利於成骨的有益元 素，製備以後可以進行微弧氧化、陽極氧化等表面處理，以提高其骨傳輸和骨誘導特性。
[0027] 所述醫用梯度多孔複合材料能夠滿足大多數對強度要求較高的骨填充、骨修復、 骨移植的需要，例如各類人工關節（髖關節、膝關節等），脊柱融合材料、骨支撐修復材料等 方面的應用。
[0028] 以下為本發明的實施例。
[0029] 實例 1
[0030] 採用醫用級的直徑為〇.4_的鈦絲，用機械繞製成設定形狀和設定孔隙率的多 孔鈦基體，其孔隙率為50% ;通過無壓浸滲技術將醫用高純Mg注入多孔鈦基體的孔隙內 部，形成複合材料，再通過體積濃度為10%的鹽酸腐蝕，腐蝕時間為10分鐘，形成孔隙率 為30 %的梯度多孔鈦鎂複合材料，該梯度複合材料的抗壓強度是120MPa，彈性模量達到 6GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0031] 實例 2
[0032] 採用醫用級的直徑為0. 1mm的鉭絲，用機械繞製成設定形狀和設定孔隙率的多 孔鉭基體，其孔隙率為90%，通過吸鑄技術，將醫用鈦合金注入多孔鉭基體的孔隙內部， 形成複合材料，再通過體積濃度為40 %的硫酸化學腐蝕，腐蝕時間為30分鐘，形成孔隙率 為70 %的梯度多孔鉭鈦複合材料，該梯度複合材料的抗壓強度為220MPa，其彈性模量為 40GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0033] 實例 3
[0034] 採用醫用級的鉳絲，其內部鉳絲直徑為0. 05mm，外部鉳絲直徑是1mm，用機械繞制 成內部孔徑小，外部孔徑大的梯度多孔鈦基體，通過無壓浸滲技術將醫用Mg-RE合金注入 多孔鈦基體的孔隙中，形成梯度複合材料，再通過體積濃度為20%的稀硝酸化學腐蝕，腐蝕 時間為5分鐘，形成孔隙率為10%的梯度多孔鈦鎂合金複合材料，該梯度複合材料的抗壓 強度為160MPa，其彈性模量為15GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0035] 實例 4
[0036] 採用醫用級的直徑為3mm的鉭絲，用機械繞製成設定形狀和設定孔隙率的多孔 鉭，其孔隙率為40% ;通過吸鑄技術，將醫用鋯合金注入多孔鉭基體的孔隙內部，形成復 合材料，再通過體積濃度為80 %的硫酸進行化學腐蝕，腐蝕時間為15分鐘，形成孔隙率 為20 %的梯度多孔鉭鋯複合材料，該梯度複合材料的抗壓強度為300MPa，其彈性模量為 120GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0037] 實例 5
[0038] 採用醫用級的直徑為1. 8mm的316L不鏽鋼絲，用機械繞製成設定形狀和設定孔隙 率的多孔不鏽鋼，其孔隙率為10%，通過壓力鑄滲技術將鋅合金注入多孔不鏽鋼基體的孔 隙內部，形成複合材料，再通過體積濃度為10%稀硫酸化學腐蝕，腐蝕時間為3分鐘，形成 孔隙率為5%的梯度多孔不鏽鋼-鋅複合材料，該梯度複合材料的抗壓強度為60MPa，彈性 模量為3GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0039] 實例 6
[0040] 採用醫用級的直徑為0· 005mm的鈦絲和直徑為3mm的鋯絲混合編織成心部孔徑 小，外部孔徑大的梯度多孔鈦鋯基體，其孔隙率為90%，通過無壓浸滲技術將鋅合金滲入該 多孔鈦鋯基體的孔隙中，形成孔隙率為0%的梯度鈦鋯一鋅合金複合材料，該梯度複合材料 的抗壓強度為140MPa，彈性模量為33GPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0041] 實例 7
[0042] 採用醫用級的直徑為0. 01mm的鈦絲、0. 08mm的鉳絲、0. 5mm的鉭絲和1. 5mm的不 鏽鋼絲編織成從內到外依次是鈦、鋯、鉭、不鏽鋼的梯度多孔結構基體，各層多孔材料的孔 隙率分別為40 %、60 %、70 %和90 %，整體的孔隙率為68 %，將鎂鈣合金通過吸鑄的方法 滲入該基體多孔結構中，形成結構-成分梯度的複合材料，再用體積濃度為7%鹽酸進行腐 蝕，腐蝕時間為20分鐘，得到孔隙率為40%的梯度複合材料，其抗壓強度為245MPa，彈性模 量為lOOGPa，適用於對骨要求較高的骨修復場合。
[0043] 實例 8
[0044] 採用醫用級的直徑為0. 006mm的鈦絲編織成內部孔隙率為10%、外部孔隙率為 90%的梯度多孔材料，其整體的孔隙率為70%，將鎂鋅合金注入該基體多孔材料中，形成復 合材料，再通過體積濃度為15%稀硫酸腐蝕，腐蝕時間為45分鐘，得到孔隙率為50%的梯 度多孔鈦一鎂鋅合金複合材料，其抗壓強度為5MPa，彈性模量為lOOMPa，適用於對骨要求 較高的骨修復場合。
【權利要求】
1. 一種醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述梯度複合材料包括具有均勻的多孔結構 或呈梯度變化的多孔結構的基體和滲入該基體的強化相，所述基體由醫用的金屬絲編織而 成，所述強化相為熔點比該金屬絲的熔點低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝 滲入所述基體的多孔結構中，然後用化學腐蝕劑進行選擇性腐蝕部分去除該強化相，形成 內部實體而外部多孔的醫用梯度複合材料。
2. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：通過改變所述金屬絲的絲 徑或者編織方法控制所述基體的孔徑和孔隙率，該基體的孔隙率在10% -90%範圍內可 調。
3. 根據權利要求1或2所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的金屬絲為醫用 鈦絲、鉭絲、鉳絲或不鏽鋼絲，直徑為0. 005mm -3謹。
4. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的強化相為鎂、鎂合 金、鈦、鈦合金、鉳、鉳合金、鋅或鋅合金。
5. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：通過控制腐蝕時間來調節 強化相的去除體積，調控所述基體與強化相的體積分數，以調控所述醫用梯度複合材料的 結構和力學性能，滿足不同情況下的使用要求。
6. 根據權利要求5所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的腐蝕時間為3-45分 鍾，所述的強化相的體積分數在〇% -90%範圍內可調。
7. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的化學腐蝕劑為鹽酸、 硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
8. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的梯度複合材料 的孔隙率範圍為〇%至90%，抗壓強度範圍為5. 0MPa-300MPa，壓縮彈性模量範圍為 100MPa-120GPa。
9. 根據權利要求1所述的醫用梯度複合材料，其特徵在於：所述的梯度複合材料在制 備過程中添加Ag、Ca或Sr元素，製備完成後進行微弧氧化或陽極氧化表面處理。
10. -種權利要求1所述醫用梯度複合材料在人工關節、脊柱融合材料和骨支撐修復 材料方面的應用。
【文檔編號】A61L27/56GK104096267SQ201410325163
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月9日 優先權日:2014年7月9日
【發明者】何國, 江國鋒 申請人:上海交通大學