专利名称：一种骨组织工程支架材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物材料技术领域，特别适用于人体硬组织缺损的生物医学工程支架材料技术领域；具体为多孔金属镁、镁合金及镁复合材料作为骨组织工程支架材料及其制备方法。
背景技术：
目前，对组织工程支架材料的研究较多，主要包括高分子材料、生物陶瓷材料及复合材料等。其中高分子材料类又包括PLA、PGA和PLA/PGA共聚物等，目前研究较多，是美国FDA已批准上市并用于临床的可生物降解的医用高分子材料，具有良好的生物相容性、可降解性和可吸收性。其缺点是亲水性较差，降解后产生的酸性产物会降低聚合物周围的pH值，机械强度不足，以及在降解过程中力学强度损失过快，不能在骨组织修复期间充分起到支架的作用。生物陶瓷类则主要包括羟基磷灰石和磷酸三钙等。羟基磷灰石具有与骨骼相同的无机成分，具有良好的生物相容性，植入骨断端处易形成骨性结合，能够加工成多孔隙结构，以利于组织细胞长入和代谢产物及营养物质的出入。缺点是脆性大，柔韧性不够，降解困难。磷酸三钙具有良好的生物相容性和骨传导性。其缺点是脆性大，降解速率过快，并且不能根据细胞的需要改变降解速率，因此现在还不具有真正的医用实用价值。目前，对组织工程用复合材料的研究也颇多，主要是为了克服单一材料所无法克服的缺陷，提高材料的综合性能，主要集中于高分子材料与生物陶瓷材料之间的复合。
金属材料一直以来被认为具有生物稳定性，在体内不具备可降解吸收性能，因而未受到组织工程领域内研究者的重视。而金属材料中的镁(Mg)，因为其具有较高的负电极电位，与水可发生腐蚀电化学反应，生成可溶于水并可被人体吸收的物质。同时，镁在人体内属常量元素，其含量在体内所有元素中占第四位，对人体新陈代谢起到非常重要的作用。体重为70kg的成年人，其体内的镁含量约为1mol，而且约一半分布在骨组织中，因而镁还具有良好的生物相容性。多孔镁作为一种可降解的生物(组织工程)材料，能给细胞提供三维生长空间，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化、生长和血管的长入。在其降解吸收的过程中，种植的细胞继续增殖、繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，以达到修复创伤和重建功能的目的，可以作为组织工程支架材料。
值得注意的是，镁具有远远优于高分子材料及生物陶瓷材料的力学性能。根据文献报道，粉末冶金法制备的多孔镁，其强度可达到17MPa，超过现有高分子(强度不足以起到支架作用)、生物陶瓷材料(抗弯强度4.4MPa)以及二者的复合材料(＜15MPa)的强度。
发明内容
本发明旨在解决骨组织工程支架材料的强度问题，提出了一种金属组织工程支架材料—多孔镁及其合金和复合材料及其制备方法，将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域。
本发明的技术方案是将金属镁、镁合金及镁复合材料制备成多孔结构，应用于组织工程支架领域。所述金属镁为纯镁。镁合金包括现有镁合金，如Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE，Mg-Al-Ca，Mg-Al-Ca-RE，Mg-Al-Sr，Mg-Zn-Zr，Mg-Zn-Al，Mg-Zn-Al-Ca，Mg-Zn-Mn，Mg-RE-Zr，Mg-RE，Mg-RE-Mn，Mg-RE-Zn等镁合金系；以及为了提高镁合金性能而设计的新的镁合金体系。镁复合材料包括以纯镁或镁合金为主要成分，为了提高其性能而与其他材料(如高分子材料、羟基磷灰石、磷酸钙生物陶瓷材料、生物玻璃、生物金属材料等)进行复合而成的复合材料。
所述多孔材料的制备方法包括粉末冶金法、熔体凝固法、金属沉积法、自蔓延高温合成、腐蚀造孔法、固态烧结法、编织法、焊接、粘结等。
所述复合材料的制备方法包括粉末冶金法、固体分散法、喷射沉积法、液态浸渗法、原位复合法等。
本发明所公开的多孔金属镁、镁合金及镁复合材料，其孔隙率为5-99％，孔径为50-900μm。利用镁在体内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，压缩强度为10MPa-100MPa，并为细胞提供三维生长空间。
本发明金属多孔组织工程支架材料可在表面进行处理，以控制其降解速度，提高生物相容性。表面处理方法包括碱处理、碱处理及后续热处理、表面制备生物活性涂层、热喷涂、表面激光熔覆、化学转化膜、阳极氧化、等离子微弧氧化、表面渗层处理、表面电镀、迭克罗表面涂层和协合涂层等。所述骨组织工程支架材料进行表面处理后获得的表面层，包括羟基磷灰石层，磷酸钙层，具有良好生物相容性的高分子涂层，携带并释放生长因子的高分子涂层等，其表面层厚度为1μm-800μm。所生成的涂层可使得所述材料的降解速度降低，从而降低因镁的降解而产生的氢气的释放速度，有利于细胞在材料表面的粘附。同时，所生成的表面层具有生物活性作用，可增加细胞在材料表面的粘附，并有利于细胞的生长、分化。
所述多孔材料可直接植入受损部位，也可经体外细胞培养，在表面粘附所需细胞，然后植入到受损部位。所述多孔材料植入体内后，在体液作用下发生如下反应Mg+H2O＝MgO+H2Mg2++H2O＝MgO+2H-Mg＝Mg2++2e最终生成可被人体吸收的物质，其表面粘附细胞及体内细胞通过生长繁殖，逐步长入多孔结构内，随着多孔支架材料的降解，最终达到组织重建的目的。
本发明的有益效果是1、本发明提出了一种金属组织工程支架材料—多孔镁及其合金和复合材料。将金属材料应用于骨组织工程支架领域，利用镁在体内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，并为细胞提供三维生长空间。
2、将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，具有良好的生物相容性。金属材料中的镁(Mg)，因为其具有较高的负电极电位，与水可发生腐蚀电化学反应，生成可溶于水并可被人体吸收的物质。同时，镁在人体内属常量元素，其含量在体内所有元素中占第四位，对人体新陈代谢起到非常重要的作用。体重为70kg的成年人，其体内的镁含量约为1mol，而且约一半分布在骨组织中，因而镁还具有良好的生物相容性。
3、多孔镁作为一种可降解的生物(组织工程)材料，能给细胞提供三维生长空间，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化、生长和血管的长入。在其降解吸收的过程中，种植的细胞继续增殖、繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，以达到修复创伤和重建功能的目的，可以作为组织工程支架材料。
4、将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，镁具有远远优于高分子材料及生物陶瓷材料的力学性能。
图1为实施例3中多孔镁合金材料与成骨细胞一起进行体外培养的直方图。其中，横坐标与成骨细胞培养时间(d，天)；纵坐标代表吸光度。
具体实施例方式
实施例1采用粉末冶金方法，以粒径为200-500μm的尿素为造孔剂，与镁粉(粒径为100μm)充分混合，100MPa及室温下压铸成型，在Ar2保护下，于473K去除造孔剂，然后在10-8Pa、773K下烧结制备出多孔镁材料，孔径为250μm，孔隙率为35％，测得其杨氏模量为1.8GPa，压缩强度为17MPa。人骨的杨氏模量和压缩强度分别为0.01-2GPa，0.2-80MPa。由此可见，所制备的多孔镁的杨氏模量和压缩强度都在人骨所需范围内，可作为骨组织工程支架材料。
实施例2将实施例1所制备的多孔镁材料，放入37℃的模拟体液中，进行腐蚀降解实验。定期取出样品，利用称重法，研究其降解情况。结果表明，多孔镁在模拟体液的作用下逐渐降解，其降解速度约为0.001mm/年。由此可知，多孔镁材料在人体内可以发生降解，最终被人体完全吸收，应用于组织工程支架材料，可为细胞生长提供空间。
实施例3采用渗流铸造法所制备多孔AZ31镁合金材料，孔径为400μm，孔隙率为50％，压缩强度为20MPa，经过不同碱热处理后(分别在饱和NaHCO3和饱和NaHPO4中浸泡3h，并于773K下热处理10h)，与成骨细胞一起体外培养，分别在培养后1天和2天，用MTT法测试样品表面细胞粘附量(以吸光度表示)，以空白组细胞生长情况作为对比。结果如图1。
由图1可见，细胞可在所制备的多孔镁材料表面粘附。与空白组对照发现，多孔镁材料经过表面处理后，不仅没有对细胞的正常生长产生破坏作用，而且有利于细胞的生长，较空白组细胞数量有所增加。由此可见，所制备多孔镁合金材料经过表面处理后有良好的生物相容性，细胞可以实现粘附、生长等。
实施例4采用腐蚀造孔法制备多孔AZ91镁合金材料，孔径为300μm，孔隙率为45％，压缩强度为22MPa，并通过溅射，在其表面制备磷酸钙涂层，涂层厚度为20μm。将制备好样品植入小鼠大腿骨组织内，10星期后，取样，做切片并染色，观察植入样品周围组织生长状况。结果发现，在样品周围有骨组织生成。
实施例5采用自蔓延高温合成法制备多孔WE2镁合金，孔径为500μm，孔隙率为30％，压缩强度为19MPa，并通过溶胶—凝胶法，在其表面制备羟基磷灰石涂层，涂层厚度为18μm。将制备好样品植入小鼠大腿骨组织内，12星期后，取样，做切片并染色，观察植入样品周围组织生长状况。结果发现，在样品周围有骨组织生成。
实施例6采用镁纤维编织成多孔镁结构，孔径为500μm，孔隙率为60％，压缩强度为25MPa，经过773K下热处理12h之后制备成所需形状，对其进行阳极化处理。将处理后的材料在模拟体液中浸泡1天，分析表面成分，有磷酸钙生成，表明材料表面具有适合于骨组织生长的生物活性作用。
实施例7采用金属沉积法制备多孔镁材料，孔径为460μm，孔隙率为38％，压缩强度为20MPa，利用浸涂法，将多孔镁浸于5％(w/w)聚乳酸—细胞生长因子的四氢呋喃溶液中0.5h，从溶液中提拉出，并经室温干燥24h，在多孔镁表面制备出聚乳酸涂层，并在聚乳酸涂层内携带细胞生长因子，涂层厚度为10μm。将所制备材料在体外进行细胞培养1天，然后植入小鼠体内，高分子涂层内细胞生长因子向体内释放，促进材料表面粘附的细胞及小鼠自身组织细胞的不断生长分化。
实施例8将聚乳酸以30％体积分数添加入金属镁纤维与造孔剂的混合体中(镁纤维与造孔剂的重量比是1∶1，镁纤维规格为直径为50um，长径比为20∶1，造孔剂为碳酸氢铵，其粒度为300μm)，并充分搅拌均匀，采用模压(压力为100MPa，时间为30min)复合制备成块，经过373K下去除造孔剂，制得多孔复合材料。孔径为300μm，孔隙率为30％，压缩强度为30MPa，将制备好样品植入小鼠大腿骨组织内，12星期后，取样，做切片并染色，观察植入样品周围组织生长状况。结果发现，在样品周围有骨组织生成。
权利要求
1.一种骨组织工程支架材料，其特征在于所述骨组织工程支架材料为多孔金属镁及其合金和复合材料；所述多孔金属镁、镁合金及镁复合材料，其孔隙率为5-99％，孔径为50-900μm；将上述材料应用于骨组织工程支架领域，利用镁在体内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，压缩强度为10MPa-100MPa，并为细胞提供三维生长空间。
2.如权利要求1所述的骨组织工程支架材料，其特征在于所述骨组织工程支架材料还具有为控制其降解速度、提高生物相容性而进行表面处理后获得的表面层，包括羟基磷灰石层，磷酸钙层，具有良好生物相容性的高分子涂层，携带并释放生长因子的高分子涂层，其表面层厚度为1μm-800μm。
3.如权利要求1所述的骨组织工程支架材料，其特征在于所述金属镁为纯镁；镁合金采用现有镁合金或者为了提高镁合金性能而设计的新的镁合金体系；镁复合材料包括以纯镁或镁合金为主要成分，为了提高其性能而与其他材料进行复合而成的复合材料。
4.如权利要求3所述的骨组织工程支架材料，其特征在于所述镁合金包括Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE，Mg-Al-Ca，Mg-Al-Ca-RE，Mg-Al-Sr，Mg-Zn-Zr，Mg-Zn-Al，Mg-Zn-Al-Ca，Mg-Zn-Mn，Mg-RE-Zr，Mg-RE，Mg-RE-Mn，Mg-RE-Zn镁合金系。
5.如权利要求3所述的骨组织工程支架材料，其特征在于镁复合材料所采用的其他材料包括高分子材料、羟基磷灰石、磷酸钙生物陶瓷材料或生物玻璃。
6.如权利要求1所述的骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于包括粉末冶金法、熔体凝固法、金属沉积法、自蔓延高温合成、腐蚀造孔法、固态烧结法、编织法、焊接或粘结。
7.如权利要求6所述的骨组织工程支架材料的制备方法，其特征在于金属多孔组织工程支架材料在表面进行处理，以控制其降解速度，提高生物相容性；表面处理方法包括碱处理、碱处理及后续热处理、表面制备生物活性涂层、热喷涂、表面激光熔覆、化学转化膜、阳极氧化、等离子微弧氧化、表面渗层处理、表面电镀、迭克罗表面涂层或协合涂层。
全文摘要
本发明涉及生物材料技术领域，特别适用于人体硬组织缺损的生物医学工程支架材料技术领域；本发明旨在解决骨组织工程支架材料的强度问题，提出了一种金属组织工程支架材料－多孔镁及其合金和复合材料及其制备方法，将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，所述多孔金属镁、镁合金及镁复合材料，其孔隙率为5－99％，孔径为50－900μm。利用镁在体内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，并可为细胞提供三维生长空间。
文档编号A61F2/28GK101032632SQ200610045990
公开日2007年9月12日 申请日期2006年3月8日 优先权日2006年3月8日
发明者谭丽丽, 杨柯, 耿芳, 张炳春 申请人:中国科学院金属研究所