一种医用梯度复合材料的制作方法
【专利摘要】一种医用梯度复合材料，其包括具有均匀的多孔结构或呈梯度变化的多孔结构的基体和渗入该基体的强化相，所述基体由医用的金属丝编织而成，所述强化相为熔点比该金属丝的熔点低的金属，其通过压力铸渗、无压浸渗或吸铸工艺渗入所述基体的多孔结构中，然后用化学腐蚀剂进行选择性腐蚀部分去除该强化相，形成内部实体而外部多孔的医用梯度复合材料。本发明性能优异，结构合理，制备成本低，具有优良的力学性能、骨传输和骨诱导特性，能够满足大多数骨填充、骨修复、骨移植应用的要求。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种医用生物复合材料，具体涉及一种适用于骨修复和骨移植的医用 梯度复合材料，属于生物医用材料【技术领域】。 一种医用梯度复合材料
【背景技术】
[0002] 人骨组织是一种梯度材料，骨植入材料要求其结构与人骨相同，既要求骨科材料 有优良的骨传输和骨诱导特性，同时要求其性能与人骨匹配。传统的骨科材料主要有实体 材料和多孔材料，但是实体材料的弹性模量比人骨高的多，会引起"应力屏蔽"现象而导致 手术的失败，并且实体材料骨诱导特性较低；多孔材料虽然有良好的骨传输和骨诱导特性， 但是其力学性能往往较低，不能应用在对强度要求较高的骨植入。此外不论是传统的实体 材料还是多孔材料，其结构与人骨不同，这对骨植入是不利的。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种医用梯度复合材料，该复合材料 性能与人骨相匹配，结构与人骨相近，以满足各类人工关节（髋关节、膝关节等）、脊柱融合 材料、骨支撑修复材料等的骨植入需要。
[0004] 本发明解决其技术问题的技术方案是：
[0005] -种医用梯度复合材料，其包括具有均匀的多孔结构或呈梯度变化的多孔结构的 基体和渗入该基体的强化相，所述基体由医用的金属丝编织而成，所述强化相为熔点比该 金属丝的熔点低的金属，其通过压力铸渗、无压浸渗或吸铸工艺渗入所述基体的多孔结构 中，然后用化学腐蚀剂进行选择性腐蚀部分去除该强化相，形成内部实体而外部多孔的医 用梯度复合材料。
[0006] 作为进一步改进，通过改变所述金属丝的丝径或者编织方法控制所述基体的孔径 和孔隙率，该基体的孔隙率在10% -90%范围内可调。
[0007] 作为进一步改进，所述的金属丝为医用钛丝、钽丝、锆丝或不锈钢丝，直径为 0. 005mm一3mm。
[0008] 作为进一步改进，所述的强化相为镁、镁合金、钛、钛合金、锆、锆合金、锌或锌合 金。
[0009] 作为进一步改进，通过控制腐蚀时间来调节强化相的去除体积，调控所述基体与 强化相的体积分数，以调控所述医用梯度复合材料的结构和力学性能，满足不同情况下的 使用要求。
[0010] 作为进一步改进，所述的腐蚀时间为3-45分钟，所述的强化相的体积分数在 0 % -90 %范围内可调。
[0011] 作为进一步改进，所述的化学腐蚀剂为盐酸、硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
[0012] 作为进一步改进，所述的梯度复合材料的孔隙率范围为0%至90%，抗压强度范 围为5. 0MPa-300MPa，压缩弹性模量范围为100MPa-120GPa。
[0013] 作为进一步改进，所述的梯度复合材料在制备过程中添加Ag、Ca或Sr元素，制备 完成后进行微弧氧化或阳极氧化表面处理。
[0014] 本发明的另一技术方案是：
[0015] 所述医用梯度复合材料在人工关节、脊柱融合材料和骨支撑修复材料方面的应 用。
[0016] 与现有的骨植入材料相比，本发明具有以下优点：
[0017] 1、具有优良的力学性能、骨传输和骨诱导特性；
[0018] 2、显著降低制备成本；
[0019] 3、性能优异，结构合理，可以满足大多数骨填充、骨修复、骨移植应用的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的结构示意图。
[0021] 图2是本发明内部的梯度多孔结构的示意图。
[0022] 图3是本发明的制备过程示意图。
[0023] 图4是本发明的外观形貌示意图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明为一种医用梯度复合材料，如图1和图4所示，其基体是通过金属丝机械绕 制的多孔钛、多孔钽、多孔锆、多孔不锈钢等医用材料，成分可以是单一种类的金属丝编织 而成，也可以是多种不同种类的金属丝复合编织而成的，基体多孔材料的制备可以通过控 制金属丝丝径或者编织技术来控制其孔径大小和分布以及孔隙率大小，其结构可以是三维 贯通的均匀多孔结构，也可以是三维贯通的呈梯度变化的多孔结构，如图2所示。强化相材 料是镁或镁合金、锌或锌合金、钛或钛合金，锆或锆合金等比基体金属丝熔点低的医用金属 材料，通过压力铸渗、无压浸渗或吸铸等工艺方法将强化相金属渗入到基体的多孔结构中， 得到一种复合结构，然后根据需要通过化学腐蚀剂进行选择性腐蚀（腐蚀强化相，但不腐 蚀基体金属丝），部分去除强化相，从而形成外部多孔、内部实体梯度结构的医用梯度复合 材料，如图3所示。化学腐蚀剂可以根据基体材料与强化相材料的化学特性不同来选择， 另外根据对梯度复合材料性能的需要决定强化相去除与否以及去除体积，强化相的去除体 积可以通过控制化学腐蚀时间来实现，以调节内部实体结构与外部多孔结构的相对体积分 数，即各自体积所占比例，从而调控该医用梯度复合材料的结构、力学、物理等性能，满足不 同情况下的使用要求。
[0025] 所述基体的金属丝直径在0.005臟-3111111之间，基体的孔隙率在10%-90%范 围内可调，强化相的体积分数可在〇% -90%可调。所述梯度复合材料的孔隙率可以 在0%至90%范围任意调控，抗压强度范围在5.010^-30010^，压缩弹性模量范围在 100MPa-120GPa。
[0026] 所述梯度复合材料在制备过程中可以添加 Ag、Ca、Sr等杀菌或利于成骨的有益元 素，制备以后可以进行微弧氧化、阳极氧化等表面处理，以提高其骨传输和骨诱导特性。
[0027] 所述医用梯度多孔复合材料能够满足大多数对强度要求较高的骨填充、骨修复、 骨移植的需要，例如各类人工关节（髋关节、膝关节等），脊柱融合材料、骨支撑修复材料等 方面的应用。
[0028] 以下为本发明的实施例。
[0029] 实例 1
[0030] 采用医用级的直径为〇.4_的钛丝，用机械绕制成设定形状和设定孔隙率的多 孔钛基体，其孔隙率为50% ;通过无压浸渗技术将医用高纯Mg注入多孔钛基体的孔隙内 部，形成复合材料，再通过体积浓度为10%的盐酸腐蚀，腐蚀时间为10分钟，形成孔隙率 为30 %的梯度多孔钛镁复合材料，该梯度复合材料的抗压强度是120MPa，弹性模量达到 6GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0031] 实例 2
[0032] 采用医用级的直径为0. 1mm的钽丝，用机械绕制成设定形状和设定孔隙率的多 孔钽基体，其孔隙率为90%，通过吸铸技术，将医用钛合金注入多孔钽基体的孔隙内部， 形成复合材料，再通过体积浓度为40 %的硫酸化学腐蚀，腐蚀时间为30分钟，形成孔隙率 为70 %的梯度多孔钽钛复合材料，该梯度复合材料的抗压强度为220MPa，其弹性模量为 40GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0033] 实例 3
[0034] 采用医用级的锫丝，其内部锫丝直径为0. 05mm，外部锫丝直径是1mm，用机械绕制 成内部孔径小，外部孔径大的梯度多孔钛基体，通过无压浸渗技术将医用Mg-RE合金注入 多孔钛基体的孔隙中，形成梯度复合材料，再通过体积浓度为20%的稀硝酸化学腐蚀，腐蚀 时间为5分钟，形成孔隙率为10%的梯度多孔钛镁合金复合材料，该梯度复合材料的抗压 强度为160MPa，其弹性模量为15GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0035] 实例 4
[0036] 采用医用级的直径为3mm的钽丝，用机械绕制成设定形状和设定孔隙率的多孔 钽，其孔隙率为40% ;通过吸铸技术，将医用锆合金注入多孔钽基体的孔隙内部，形成复 合材料，再通过体积浓度为80 %的硫酸进行化学腐蚀，腐蚀时间为15分钟，形成孔隙率 为20 %的梯度多孔钽锆复合材料，该梯度复合材料的抗压强度为300MPa，其弹性模量为 120GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0037] 实例 5
[0038] 采用医用级的直径为1. 8mm的316L不锈钢丝，用机械绕制成设定形状和设定孔隙 率的多孔不锈钢，其孔隙率为10%，通过压力铸渗技术将锌合金注入多孔不锈钢基体的孔 隙内部，形成复合材料，再通过体积浓度为10%稀硫酸化学腐蚀，腐蚀时间为3分钟，形成 孔隙率为5%的梯度多孔不锈钢-锌复合材料，该梯度复合材料的抗压强度为60MPa，弹性 模量为3GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0039] 实例 6
[0040] 采用医用级的直径为0· 005mm的钛丝和直径为3mm的锆丝混合编织成心部孔径 小，外部孔径大的梯度多孔钛锆基体，其孔隙率为90%，通过无压浸渗技术将锌合金渗入该 多孔钛锆基体的孔隙中，形成孔隙率为0%的梯度钛锆一锌合金复合材料，该梯度复合材料 的抗压强度为140MPa，弹性模量为33GPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0041] 实例 7
[0042] 采用医用级的直径为0. 01mm的钛丝、0. 08mm的锫丝、0. 5mm的钽丝和1. 5mm的不 锈钢丝编织成从内到外依次是钛、锆、钽、不锈钢的梯度多孔结构基体，各层多孔材料的孔 隙率分别为40 %、60 %、70 %和90 %，整体的孔隙率为68 %，将镁钙合金通过吸铸的方法 渗入该基体多孔结构中，形成结构-成分梯度的复合材料，再用体积浓度为7%盐酸进行腐 蚀，腐蚀时间为20分钟，得到孔隙率为40%的梯度复合材料，其抗压强度为245MPa，弹性模 量为lOOGPa，适用于对骨要求较高的骨修复场合。
[0043] 实例 8
[0044] 采用医用级的直径为0. 006mm的钛丝编织成内部孔隙率为10%、外部孔隙率为 90%的梯度多孔材料，其整体的孔隙率为70%，将镁锌合金注入该基体多孔材料中，形成复 合材料，再通过体积浓度为15%稀硫酸腐蚀，腐蚀时间为45分钟，得到孔隙率为50%的梯 度多孔钛一镁锌合金复合材料，其抗压强度为5MPa，弹性模量为lOOMPa，适用于对骨要求 较高的骨修复场合。
【权利要求】
1. 一种医用梯度复合材料，其特征在于：所述梯度复合材料包括具有均匀的多孔结构 或呈梯度变化的多孔结构的基体和渗入该基体的强化相，所述基体由医用的金属丝编织而 成，所述强化相为熔点比该金属丝的熔点低的金属，其通过压力铸渗、无压浸渗或吸铸工艺 渗入所述基体的多孔结构中，然后用化学腐蚀剂进行选择性腐蚀部分去除该强化相，形成 内部实体而外部多孔的医用梯度复合材料。
2. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：通过改变所述金属丝的丝 径或者编织方法控制所述基体的孔径和孔隙率，该基体的孔隙率在10% -90%范围内可 调。
3. 根据权利要求1或2所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的金属丝为医用 钛丝、钽丝、锫丝或不锈钢丝，直径为0. 005mm -3謹。
4. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的强化相为镁、镁合 金、钛、钛合金、锫、锫合金、锌或锌合金。
5. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：通过控制腐蚀时间来调节 强化相的去除体积，调控所述基体与强化相的体积分数，以调控所述医用梯度复合材料的 结构和力学性能，满足不同情况下的使用要求。
6. 根据权利要求5所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的腐蚀时间为3-45分 钟，所述的强化相的体积分数在〇% -90%范围内可调。
7. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的化学腐蚀剂为盐酸、 硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
8. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的梯度复合材料 的孔隙率范围为〇%至90%，抗压强度范围为5. 0MPa-300MPa，压缩弹性模量范围为 100MPa-120GPa。
9. 根据权利要求1所述的医用梯度复合材料，其特征在于：所述的梯度复合材料在制 备过程中添加Ag、Ca或Sr元素，制备完成后进行微弧氧化或阳极氧化表面处理。
10. -种权利要求1所述医用梯度复合材料在人工关节、脊柱融合材料和骨支撑修复 材料方面的应用。
【文档编号】A61L27/56GK104096267SQ201410325163
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】何国, 江国锋 申请人:上海交通大学