专利名称：一种全降解心血管支架用铁基复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种全降解心血管支架用铁基复合材料及其制备方法。
背景技术：
目前临床上应用的心血管支架材料以金属材料为主，包括316L不锈钢、Ti和Ni-Ti合金、Co-Cr合金、Pt-Ir合金以及金属Ta等。但是，这些支架材料全部是生物惰性材料并且在生物体内不可降解，植入人体后会作为异物长期存在于体内，有血管再狭窄、晚期血栓发生的风险，同时需要进行长期的抗血小板治疗。鉴于以上原因，开发生物可降解的心血管支架材料是心血管支架的发展趋势。国内外关于可降解心血管支架材料的研究集中在镁合金以及纯铁上。但镁合金存在一些缺点，如同316L不锈钢相比，镁合金的力学性能较差，提供的径向支撑力可能不足；另一方面，镁合金在体液环境中腐蚀速率过快，有可能在血管重塑之前支架就发生腐蚀破碎，造成支架植入失败。从生物相容性的角度来看，铁元素是人体重要的微量元素，成人体内铁元素含量约为4-5g，其中70%与血红蛋白结合。铁具有重要的生理功能，在许多的生物化学反应中起着重要重要作用，如氧气感应和传输、电子转移、催化等。纯铁在体液环境中能够发生腐蚀，有望成为新一代的可降解心血管支架材料。早期的动物实验研究也证实了纯铁具有良好的生物相容性以及作为心血管支架材料的可行性。但是纯铁作为心血管支架材料还存在着一些问题，主要是纯铁的力学性能较316L稍差，需要进一步提高其力学性能；另外纯铁在体液环境中腐蚀速率较慢，在含有Cl—的体液环境中易发生点蚀，引起支架局部失去力学强度而破裂,造成植入失败。因此,对于纯铁作为心血管支架材料,需要加快其腐蚀速率同时使纯铁在体液环境中的腐蚀更均匀。从材料学角度，改善纯铁腐蚀速率和腐蚀方式的方法主要有两种一是通过添加一些非贵金属的合金化元素使铁基体更容易发生腐蚀，但研究证实此种方法对加快纯铁的腐蚀速率效果并不理想；另一种是通过添加贵金属合金化元素形成细小均匀分散的金属中间相，作为阳极与铁基体形成电偶腐蚀，起到加速腐蚀的作用，但采用传统的铸造技术，金属中间相的形成和均匀分布难以控制。采用复合化的方法，不仅能够得到均匀分散的贵金属相，加速铁基体的腐蚀，同时宏观上看能够使铁基体的腐蚀更加均匀，而且由于二次相的增强作用可以进一步提高铁基材料的力学性能。钨是除碳之外熔点最高的元素，比纯铁的标准电极电位要高。由于其较好的辐射不透过性和致血栓性，纯钨机械可脱性微弹簧圈被用于介入手术治疗脑动脉瘤以及其他血管瘤。研究结果证实，由于钨弹簧圈的植入，虽然患者体内血清中钨离子浓度增加，但并没有引起局部或系统毒性。血管平滑肌细胞、内皮细胞和纤维原细胞在纯钨弹簧圈表面都表现出较高的细胞活性，溶液中钨离子浓度的增大并没有对细胞活性产生明显的影响。而且只有当溶液中的钨离子浓度高于50μ g/ml时才能引起血管平滑肌细胞、内皮细胞和纤维原细胞的毒性反应。这些证实了钨具有良好的生物相容性。
氧化铁是一种磁性材料，在靶向传输、细胞标识等生物医学领域有着广泛的应用，早期的研究证实了氧化铁具有良好的生物相容性。此外，氧化铁是纯铁的降解产物之一。硫化亚铁也是一种铁的化合物，没有细胞毒性。碳纳米管是一种新型的碳材料，具有特殊的纳米结构和优异的物理化学性能，如低密度、高强度、良好的电导性和温度传导性能，成 为生物医学应用领域一个新的研究热点。碳纳米管作为高分子复合材料的增强体，可以提高高分子材料的强度，也能改进基体材料的细胞相容性。经过表面修饰的碳纳米管作为组织工程支架能为细胞生长和组织再生提供诱导和支持。此外，碳纳米管在气体传感器及生物分子的电化学分析方面也有着广泛的应用研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种全降解心血管支架用铁基复合材料及其制备方法，该铁基复合材料具有良好的生物相容性、适宜的腐蚀速率，且能够满足心血管支架材料的力学性能要求。本发明提供的一种全降解心血管支架用铁基复合材料，包括Fe和W ;以重量百分比计，所述铁基复合材料中，W的含量为(Γ10%，但不为零，该铁基复合材料的具体组成可为由质量百分含量为2°/Γ5%的W和余量的Fe组成，具体可为98%的Fe和2%的W以及95%的Fe和5%的W。本发明提供的另一种全降解心血管支架用铁基复合材料，包括Fe和Fe2O3 ；以重量百分比计，所述铁基复合材料中，Fe2O3的含量为(Γ10%，但不为零，该铁基复合材料的具体组成可为由质量百分含量为29Γ5%的Fe2O3和余量的Fe组成，具体可为98% 的 Fe 和 2% 的 Fe2O3 以及 95% 的 Fe 和 5% 的 Fe203。本发明提供的再一种全降解心血管支架用铁基复合材料，包括Fe和FeS ；以重量百分比计，所述铁基复合材料中，FeS的含量为(Γ10%，但不为零，该铁基复合材料的具体组成可为由质量百分含量为2°/Γ5%的FeS和余量的Fe组成，具体可为98%的Fe和2%的FeS以及95%的Fe和5%的FeS。本发明提供的再一种全降解心血管支架用铁基复合材料，包括Fe和碳纳米管；以重量百分比计，所述铁基复合材料中，碳纳米管的含量为(Γ5%，但不为零，该铁基复合材料的具体组成可为由质量百分含量为O. 59Tl%的碳纳米管和余量的Fe组成，具体可为99. 5%的Fe和O. 5%的碳纳米管以及99%的Fe和1%的碳纳米管。上述的铁基复合材料中，所述铁基复合材料还可能包括微量元素,所述微量元素为锰、铬、钴和镍中至少一种；所述铁基复合材料中，所述微量元素的质量百分含量为(Γ2%，但不为零；所述猛、铬、钴和镍的含量均不大于I. 5%。上述的铁基复合材料中，所述铁基复合材料的表面还涂覆有可降解高分子载药涂层；所述可降解高分子载药涂层中的高分子材料为聚羟基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、L-聚乳酸(PLLA)、聚己酸内酯(PCL)、聚氰基丙烯酸酯(PACA)、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸类聚合物、聚β_羟基丁酸酯和羟基戊酸酯及其共聚物中的一种或多种的任意组合；所述可降解高分子载药涂层中的药物为免疫抑制剂(如雷帕霉素)或抗癌药物(如紫杉醇);所述可降解高分子载药涂层的厚度可为5 50 μ m。本发明提供了上述铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤将铁粉与钨粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳纳米管粉末中任一种进行混合，然后经放电等离子体烧结或粉末冶金进行烧结，经冷却即得到铁基复合材料。上述的制备方法中，所述铁粉、钨粉、Fe2O3和FeS粉末的粒径可为100ηπΓ200 μ m,如IOOnnTlOO μ m,所述碳纳米管的直径可为I IOOnm,如10 30nm,长度可为I 20 μ m,如I 10 μ m。 上述的制备方法中，所述放电等离子体烧结的压力可为2(T40MPa，温度可为75(Tl000°C，时间可为3 lOmin，如在40MPa和950°C的条件下烧结5min。上述的制备方法中，所述粉末冶金的温度可为80(Tl40(rC，时间可为5 10h。上述的制备方法中，所述方法还包括向所述铁基复合材料的表面涂覆所述可降解高分子载药涂层的步骤；通过提拉法或匀胶法涂覆所述可降解高分子载药涂层；所述提拉法涂覆可降解高分子载药涂层的步骤为首先将所述复合材料进行酸洗，然后在三氯乙烷等有机溶剂中溶解所述高分子材料和药物，然后将所述复合材料在所述高分子材料和药物中浸涂后匀速拉出进行离心处理，得到涂覆可降解高分子载药涂层的心血管支架。所述匀胶法涂覆可降解高分子载药涂层的步骤为首先将所述复合材料进行酸洗，然后在三氯乙烷等有机溶剂中溶解所述高分子材料和药物，将所述高分子材料和药物胶体滴在复合材料表面，利用匀胶机高速旋转使胶体铺展到复合材料上形成薄层，干燥以去除多余溶剂，多次涂覆以达到最佳效果。本发明还提供了上述铁基复合材料在制备医用植入体中的应用，所述医用植入体具体可为心血管支架。本发明具有如下的优点及有益效果本发明提供的全降解心血管支架用铁基复合材料，避免了传统的惰性金属支架存在的晚期血栓、支架再狭窄等问题。选用对人体无害的二次相作为复合材料的增强相，一方面提高了铁基体在体液环境中的腐蚀速率，使铁基体的腐蚀更均匀；另一方面，二次相的加入也提高了铁基复合材料的力学强度，更能满足心血管支架的要求。
图I为实施例I和实施例2制备的铁基复合材料以及铸造纯铁、SPS烧结纯铁的金相显微组织以及Fe-2Fe203复合材料中二次相和基体的EDS分析。图2为实施例I和实施例2制备的铁基复合材料和纯铁的室温压缩性能。图3为在实施例I和实施例2制备的铁基复合材料以及铸造纯铁、SPS烧结纯铁浸提液中培养1、2和4天后VSMC和ECV304的细胞存活率，其中，图3 (a)和图3 (b)分别为VSMC和ECV304的细胞存活率。
图4为实施例I和实施例2制备的铁基复合材料以及铸造纯铁、SPS烧结纯铁的溶血率。
具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例I、制备Fe-W/Fe203/FeS复合材料采用纯Fe 粉(99.9wt.%，粒径为 IOOnnTlOO μ m)、W 粉(99. 8%，粒径为IOOnnTlOO μ m)、Fe2O3 粉(99. 0%，粒径为 IOOnnTlOO μ m)和 FeS 粉(99.0%，粒径为IOOnnTlOO μ m)作为试验原料，分别按照二次相X含量(质量)为2%和5%配制。 经过研钵手动混合之后在混料仪中以2000rpm的转速混合5min。将混合粉末置于石墨模具中，在真空环境下，采用放电等离子体烧结技术在40MPa压力下950°C烧结，保温时间5min，然后冷却至室温即得到铁基复合材料分别即为Fe-2W、Fe_5W、Fe_2Fe203、Fe_5Fe203、Fe_2FeS 和 Fe_5FeS。本实施例制备的铁基复合材料的金相显微组织如图I所示,其中，Fe-2Fe203中的二次相Fe2O3的和基体Fe的EDS谱图也如图I中所示，分别为图I (A)和图(B)，图I中还示出了铸造纯铁和SPS烧结纯铁(其烧结工艺条件同本实施例中的条件)的金相显微组织。由该图可得知，采用SPS方法烧结的纯铁晶粒尺寸较铸造纯铁明显减小，W、Fe203> FeS等二次相在铁基体中均匀分布，大部分分布在晶界上，小部分分布在晶粒内部，并且二次相的加入在一定程度上减小了铁基体的晶粒尺寸。实施例2、制备Fe-CNT复合材料采用纯Fe粉末和CNT粉末(直径为l(T30nm，长度为1 10 μ m)为原料，按照添加相含量分别为O. 5%和1%的比例，以乙醇作为分散剂，用直径5mm的不锈钢球在80r/min的转速下球磨混合8h后烘干，然后采用同实施例I中相同的放电等离子体烧结参数进行烧结，得到Fe-CNT的复合材料试样。本实施例制备的Fe-CNT复合材料的金相显微组织如图I所示，由该图可得知，采用球磨混合并烧结后CNT在铁基体中均匀分布，CNT的加入也明显减小了铁基体的晶粒尺寸。实施例3、铁基复合材料的室温压缩性能将实施例I和实施例2制备的复合材料按照压缩测试标准GB/T 7314-2005制备压缩试样进行压缩性能测试，试样尺寸为Φ2Χ 5mm，压缩应变速度为2X10_4/s，由于材料为塑性材料，压缩强度取压缩应变为40%时的应力值。采用实施例I和实施例2制备的铁基复合材料的压缩力学性能如图2所示，以铸造(As-cast)纯铁和放电等离子体烧结(SPS)的纯铁作对比。实施例4、铁基复合材料的抗腐蚀性能将实施例I和2制得的复合材料线切割成IOX 10 X 2mm3的块状试样，打磨抛光至2000#砂纸。然后在温度为37°C的Hank’ s模拟体液中进行电化学测试和浸泡实验检测材料的腐蚀速率，以纯铁作为对比。采用实施例I和实施例2制备的铁基复合材料的电化学参数和采用两种检测手段计算得到的腐蚀速率如表I所示，由表I中的数据可以看出，电化学测试结果显示采用SPS烧结的纯铁的腐蚀速率较铸造纯铁快，同时第二相成分的加入显著提高铁基材料的腐蚀速率，第二相含量越高，铁基材料的腐蚀速率越快。而浸泡测试结果表明
权利要求
1.一种铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料包括Fe和W ; 以重量百分比计，所述铁基复合材料中，w的含量为(Γιο%，但不为零。
2.一种铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料包括Fe和Fe2O3 ； 以重量百分比计，所述铁基复合材料中，Fe2O3的含量为(Γ10%，但不为零。
3.—种全铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料包括Fe和FeS ； 以重量百分比计，所述铁基复合材料中，FeS的含量为(Γ10%，但不为零。
4.一种铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料包括Fe和碳纳米管； 以重量百分比计，所述铁基复合材料中，碳纳米管的含量为(Γ5%，但不为零，碳纳米管直径为I lOOnm，长度为I 20 μ m。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料还包括微量元素，所述微量元素为猛、铬、钴和镍中至少一种； 所述铁基复合材料中，所述微量元素的质量百分含量为(Γ2%，但不为零； 所述锰、铬、钴和镍的含量均不大于I. 5%。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的铁基复合材料，其特征在于所述铁基复合材料的表面还涂覆有可降解高分子载药涂层； 所述可降解高分子载药涂层中的高分子材料为聚羟基乙酸、聚乳酸、L-聚乳酸、聚己酸内酯、聚氰基丙烯酸酯、聚对二氧杂环己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸类聚合物、聚β -羟基丁酸酯和羟基戊酸酯及其共聚物中的一种或多种的任意组合； 所述可降解高分子载药涂层中的药物为免疫抑制剂或抗癌药物； 所述可降解高分子载药涂层的厚度为5 50 μ m。
7.权利要求1-6中任一项所述铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤将铁粉与钨粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳纳米管粉末中任一种进行混合，然后经放电等离子体烧结或粉末冶金进行烧结，经冷却即得到铁基复合材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述放电等离子体烧结的压力为20 40MPa，温度为 75(Tl000°C，时间为 3 IOmin。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述粉末冶金的温度为80(Γ1400 ，时间为5 IOh ； 所述方法还包括向所述铁基复合材料的表面涂覆所述可降解高分子载药涂层的步骤； 通过提拉法或匀胶法涂覆所述可降解高分子载药涂层。
10.权利要求1-6中任一项所述铁基复合材料在制备医用植入体中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种全降解心血管支架用铁基复合材料及其制备方法。所述铁基复合材料包括Fe和W、Fe2O3、FeS和碳纳米管中任一种；以重量百分比计，所述铁基复合材料中，W、Fe2O3、FeS和碳纳米管中任一种的含量为0~10%，但不为零。所述铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤将铁粉与钨粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳纳米管粉末中任一种进行混合，然后经放电等离子体烧结或粉末冶金进行烧结，经冷却即得到铁基复合材料。本发明提供的全降解心血管支架用铁基复合材料，避免了传统的惰性金属支架存在的晚期血栓、支架再狭窄等问题。选用对人体无害的二次相作为复合材料的增强相，一方面提高了铁基体在体液环境中的腐蚀速率，使铁基体的腐蚀更均匀。
文档编号A61L31/16GK102961787SQ201210539159
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者郑玉峰, 程健 申请人:北京大学