专利名称：生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种组织工程领域的多孔镁基复合材料，具体的说，是一种 生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材料。
背景技术：
.组织工程学是应用少量组织细胞经体外培养扩增后，吸附到一种生物相容 性良好并可被机体降解的生物材料(支架)上，然后接种到机体内形成新的具 有生命力和相关功能的组织。骨组织工程是其中的一种，其最大的优点是形成了 具有生命力的活体组织。用少量组织修复大量组织缺损并可按照预制形状塑形， 为组织缺损的修复提供了新思维、新方法。理想的骨、软骨组织工程支架材料或 细胞载体应具有以下条件良好的生物相容性，适宜的生物降解性，有效的表面 活性， 一定的可塑性，具有三维多孔结构。目前研究开发的骨组织工程支架材料主要有可降解高分子聚合物和生物陶 瓷等，但是聚合物和陶瓷材料的机械性能比较差，而且聚合物的降解产物例如乳 酸和羟基乙酸等，若浓度较高可造成局部PH的降低，损伤组织。近年来，研究 重点逐渐转移至羟基磷灰石和骨胶原的直接复合上，但是这种材料的强度不够 高，不适用于承重骨的植入替换和修复。因此，目前国内外的研究大量集中在寻 找合适的多孔材料作为新的植入组织工程材料。在生物体内能被降解，最终为机 体所吸收，同时材料本身又具有生物活性，本发明涉及的就是这样一种新型金属 基复合材料。 ，镁是地球上储量最丰富的元素之一，也是人体内第四位、细胞内第二位最丰 富的阳离子，是人体中不可缺少的重要营养元素。镁在生命过程中促进骨及细胞的形成，催化或激活机体300多种酶系。镁在体内三大代谢中通过调节核糖体 DNA及RNA的结构而对蛋白质的合成起关键作用。镁做为生物医用材料具有良好 的医学安全性基础。
物材料)期刊2007年28巻第2163-2174页中报道了 "Biodegradable magnesium - hydroxyapatite metal matrix composites"( 生物可降解镁-羟 基磷灰石金属基复合材料)，他们通过体外细胞培养实验研究羟基磷灰石颗粒增 强镁合金用做骨组织工程用可降解支架可行性，结果发现此含HA增强体的镁合 金复合材料的细胞相容性良好，样品上的骨原细胞(HBDC)，成骨细胞(MG-63) 和巨噬细胞(RAW264.7)的数量都比对照组(组织工程塑料，TCP)多，且具有 可调节的机械和腐蚀性能，具有良好的应用潜力。文献中还提到所研究的AZ91D 镁合金中含有A1元素等其他元素，虽然镁的生物相容性基础良好，但A1元素不 属于人体的必需微量元素，被认为具有神经毒性，是导致早老性痴呆的因素，一 定程度上降低了细胞活性。 发明内容本发明针对现有传统支架材料的不足，提供一种生物体内可降解的多孔镁基 复合组织工程支架材料。本发明采用粉末冶金工艺制备的骨组织工程支架材料， 利用镁在水介质中的化学反应转变为镁离子，镁离子通过体内的吸收和肾脏的代 谢来调节平衡，从而使支架材料在体内逐渐被降解吸收。Mg2+离子参与一系列新 陈代谢过程，.包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力等，适宜作为骨组织工程的支 架材料，促进骨细胞的黏附增殖繁衍，增强自我修复能力，加速自体修复的速度。 多孔镁支架材料具有良好的生物相容性和力学性能基础，可较好地满足骨组织工 程支架材料综合力学性能和生物学安全的要求。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用高纯度镁粉及镁合金粉作为 基体，不同含量的HA (羟基磷灰石)作为增强体，尿素作为造孔剂，制备骨组 织工程多孔支架材料。本发明各组分及其体积百分比含量高纯度镁及镁合金粉 70%-20%，血粉10%-20%，造孔剂20%-70%。本发明是通过传统的粉末冶金的制备方法，利用造孔剂在烧结过程中挥发得 到孔洞的方法制备得到骨组织工程多孔支架材料。使用尿素作为造孔剂，与HA 粉末和高纯镁或者镁合金粉(高纯Mg-Zn合金，高纯Mg-Zn-Ca合金，高纯 Mg-Zn-Ca-Fe合金，高纯Mg-Mn'合金，高纯Mg-Zn-Mn合金，上述合金纯净度均 不小于99.99%。)以不同比例球磨混粉，球磨机转速100r/min，球磨时间约6-10 小时，100MPa保压2-3min成型。烧结先升温至150-20(TC，保温4-5h;再升温
至烧结温度300-60CTC (根据各合金成分不同而不同)，保温2-4h,炉冷。为获得合适的可调节的力学性能及腐蚀性能，.本发明所述高纯度镁及镁合金 粉系如下材料高纯镁，高纯Mg-Zn合金，高纯Mg-Zn-Ca合金，高纯Mg-Zn-Ca-Fe 合金，高纯Mg-Mn合金，高纯Mg-Zn-Mn合金，上述合金纯净度均不小于99. 99%。 上述镁及镁合金材料的合金元素均是人体所必需的营养元素，其代谢产物对人体 无毒副作用，可为人体所吸收。由上述镁及镁合金材料制成的多孔镁骨组织工程 支架材料，其密度与人体骨密度接近，弹性模量和屈服强度与其他金属材料相比 最接近人骨，可以避免或减轻应力遮挡效应。采用上述材料不同的成分组成可以 获得可调节的力学性能及腐蚀性能，满足人体不同部位骨组织植入的要求。为增强获得的多孔支架的性能，本发明所述的原始材料粉体中加入含量 10%-20。/。(体积百分比)的HA (羟基磷灰石)粉末。HA作为天然骨的一种成分，在 人体环境内有很低的溶解度。细胞经体外培养扩增后，吸附到多孔镁支架上， 随着支架镁及镁合金的逐渐降解，细胞继续繁殖生长，与无法降解的残留HA形 成新的具有生命力和相关功能的骨组织。HA在镁及镁合金基体中的分布和大小 大大改善了多孔支架材料的机械性能，通过其含量和分布的调节，可以使支架得 到不同的机械性能以适应生物体不同部位骨的不同力学性能，缓解或者避免应力 遮挡效应。另一方面，HA的添加，降低了pH的增加，改善了细胞生存环境，更 在一定程度上提高了镁在生理盐水和细胞溶液中的腐蚀抗力。为获得合适的孔隙率及孔径大小，本发明选择尿素(CO (NH2) 2)作为造孔 剂，其特点是不吸收水分，在室温不易分解，加热过程易于分解且不与支架材料 发生反应，分解后在基体内无残留。造孔剂的体积比为20%-70%。在该范围内， 本发明材料的孔隙率为20%-70%，孔径大小随孔隙率的不同分布范围也有所不 同，孔径大小总体范围在100 P m -800 u m。骨组织工程支架孔径尺寸大于150 u m 时，才能为骨组织的长入提供理想场所；孔径尺寸大于200iim，是骨传导的基 本要求，200-400nm最有利于新骨生长。当孔隙率超过30%后，孔隙可以相互连' 通，便于新骨组织的长入。孔隙率越高，越有利于新骨的长入。本发明的多孔镁 支架材料的孔径大小和孔隙率符合骨组织工程支架的材料要求，利于骨细胞的增 殖繁衍。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 实施例1选用颗粒大小为200-300目的纯镁粉(纯度》99.99%)，体积含量70%;颗 粒大小〈80um的HA粉末(分析纯)，体积含量10%;尿素粉末(分析纯)，体积 含量20%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为20%的多孔镁骨组织工程支 架。该材料孔洞保持圆形或近似椭圆形，孔洞大部分连通分布，孔径大小约为 100wm-200ym。压縮屈服强度约28MPa，可在生物体液或血液环境中降解吸收， 降解速度约为0. 14毫克/月。实施例2选用颗粒大小为200-300目的高纯Mg-Zn-Ca合金粉(纯度>99. 99%)，体积 含量60%;颗粒大小〈80um的HA粉末(分析纯)，体积含量10%;尿素粉末(分 析纯)，体积含量30%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为30%的多孔镁骨 组织工程支架。该材料孔洞形状较好，保持圆形或近似椭圆形，孔洞大部分连通 分布，孔径大小约为150u m-300um。压縮屈服强度约19. 5MPa,可在生物体液 或血液环境中降解吸收，降解速度约为0. 22毫克/月。实施例3采用颗粒大小200-300目的高纯Mg-Mn合金粉(纯度》99.99%)体积含量 50%;颗粒大小〈80um的HA粉末(分析纯)，体积含量15%;尿素粉末(分析纯)， 体积含量35%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为35%的多孔镁骨组织工 程支架。该材料孔洞保持圆形或近似椭圆形，孔洞大部分连通分布，孔径大小约 为150ym-400um。压縮屈服强度约16. 2MPa，可在生物体液或血液环境中降解 吸收，降解速度约为0. 25毫克/月。实施例4选用颗粒大小为200-300目的高纯Mg-Zn合金粉(纯度》99. 99%)，体积含 量40%;颗粒大小〈80um的HA粉末(分析纯)，体积含量10%;尿素粉末(分析 纯)，体积含量50%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为50%的多孔镁骨组 织工程支架。该材料孔洞为长椭圆形，孔洞较大且连通分布，孔径大小约为 200ixm -500pm。压縮屈服强度约6. 5MPa，可在生物体液或血液环境中降解吸 收，降解速度约为0.35毫克/月。 实施例5釆用颗粒大小200-300目的高纯Mg-Zn-Ca-Fe合金粉(纯度》99. 99%)体积 含量20%;颗粒大小〈80um的HA粉末(分析纯)，体积含量20%;尿素粉末(分 析纯)，体积含量60%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为50%的多孔镁骨 组织工程支架。该材料孔洞为长椭圆形，孔洞大且连通分布，孔径大小约为 300 u m -600 P m。压縮屈服强度约12. 2MPa，可在生物体液或血液环境中降解吸 收，降解速度约为0.30毫克/月。实施例6采用颗粒大小200-300目的高纯Mg-Zn-Mn合金粉(纯度》99.99%)体积含 量20%;颗粒大小〈80pm的HA粉末(分析纯)，体积含量10%;尿素粉末(分析 纯)，体积含量70%。采用粉末冶金及烧结工艺获得孔隙率约为70%的多孔镁骨组 织工程支架。该材料孔洞为长椭圆形，孔洞较大且连通分布，孔径大小约为 600um-800um。压縮屈服强度约3.2MPa，可在生物体液或血液环境中降解吸 收，降解速度约为0.60毫克/月。
权利要求
1、一种生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材料，其特征在于，各组分及其体积百分比含量高纯度镁及镁合金粉70％-20％，HA粉10％-20％，造孔剂20％-70％，高纯度镁及镁合金粉纯度大于等于99.99％。
2、 根据权利要求1所述的生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材 料，其特征是，所述高纯度镁及镁合金粉为HA及高纯镁、高纯Mg-Zn合金、高 纯Mg-Zn-Ca合金、高纯Mg-Zn-Ca-Fe合金、高纯Mg-Mn合金、高纯Mg-Zn-Mn 合金中的一种。
3、 根据权利要求}所述的生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材 料，其特征是，所述造孔剂为尿素，纯度为分析纯。
4、 根据权利要求1所述的生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材 料，其特征是，所述HA粉，纯度为分析纯。
5、 根据权利要求1所述的生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材 料，其特征是，所述支架材料孔隙率为20%-70%。
6、 根据权利要求1或4所述的生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支 架材料，其特征是，所述支架材料孔径大小100nm -800um。
全文摘要
一种生物体内可降解的多孔镁基复合组织工程支架材料，其各组分及其体积百分比含量高纯度镁及镁合金粉70％-20％，HA粉10％-20％，造孔剂20％-70％，所述高纯度镁及镁合金粉为HA及高纯镁、高纯Mg-Zn合金、高纯Mg-Zn-Ca合金、高纯Mg-Zn-Ca-Fe合金、高纯Mg-Mn合金、高纯Mg-Zn-Mn合金，合金纯度大于等于99.99％。本发明采用粉末冶金工艺制备的骨组织工程支架材料，利用镁在水介质中的化学反应转变为镁离子，镁离子通过体内的吸收和肾脏的代谢来调节平衡，从而使支架材料在体内逐渐被降解吸收。
文档编号A61L27/04GK101156960SQ20071004794
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年11月8日
发明者张小农, 李佳楠, 赵常利 申请人:上海交通大学