一种医用植入多孔材料的制作方法

本发明涉及多孔材料，特别涉及一种用于医用植入的多孔材料。
背景技术：
：21世纪，人类进入老龄化社会步伐加快，对生物医用植入材料的需求越来越高。由于实体材料（如金属、陶瓷等）其弹性模量远高于自然骨，植入体内后容易产生应力遮挡效应，使得植入物松动，脱落，影响植入物的稳定性。研究表明，材料的结构特性能明显影响新骨长入的速度，对植入材料进行多孔设计，不仅保留了原材料优良的机械强度等性能，还可以通过调整孔径大小和孔隙率来改变材料的弹性模量，使其与自然骨相匹配。因此，多孔材料作为骨植入物越来越多地被应用于临床。目前研究较多的医用植入材料有羟基磷灰石及其复合材料，多孔钛(钛合金)及其复合材料，多孔聚乙烯及其复合材料及含钙的化合物复合材料，还有近年来已有临床报道的多孔钽等。另外还有壳聚糖支架、多孔氧化铝陶瓷、多孔不锈钢、多孔丙烯酸水泥、多孔珊瑚、多孔碳酸盐磷灰石等。尽管人们对多孔医用植入材料进行了大量研究，但目前其骨生长能力仍不理想，一方面，骨长入深度不足，如zoux等的研究（boneingrowthcharacteristicsofporoustantalumandcarbonfiberinterbodydevices:anexperimentalstudyinpigs[j]spinej.2004,4(1):99-105）表明，用传统单一孔隙的多孔钽制作椎间融合器进行动物实验，对多孔新型材料进行组织切片发现，骨组织往往仅长入多孔材料表层孔隙或孔隙的外边缘，并不长满材料内部孔隙。另一方面，骨长入均匀性不足，因而，这些材料不能做为真正意义上的骨修复再生材料。技术实现要素：：本发明的目的是提供一种有利于骨组织生长、骨修复效果好的医用植入多孔材料。发明人认为，作为骨植入修复材料，它需要具有一定的孔隙率，保证孔是贯通的，由于体液在材料的孔隙里流动，骨细胞要长入孔隙，如果提供动力有利于体液在材料的孔隙里流动，则利于骨细胞长入孔隙，则会有利于骨组织长入骨植入材料的孔隙，使其具有利于骨组织生长与修复的再生功能。本发明目的通过如下技术方案实现：一种多孔材料，包括材料本体，本体是以材料孔径大小进行分级的孔腔，及围绕形成孔腔的腔壁构成，呈三维空间围绕构成上级大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，且最小级孔腔腔壁表面的粗糙度ra不小于10nm。本发明所述粗糙度ra是轮廓算数平均偏差。采用本发明提供的技术方案，可以使得贯通的小孔腔在材料本体内构成了毛细管，使得整个多孔材料具有较大的毛细力，而大孔腔给其中的液体顺利流动提供了空间环境，而且最小级孔腔腔壁表面的粗糙度ra不小于10nm不仅进一步提高多孔材料毛细力，从而使得多孔材料作为医用植入材料时为体液在材料的孔隙里流动提供足够动力，更重要的是它有利于骨细胞长入孔隙，促进骨组织长入多孔材料，真正实现骨再生。进一步说，所述的多孔材料，同级孔腔相互间通过贯通部贯通，各级孔腔相互间通过贯通部彼此贯通；更进一步说，同级孔腔间的贯通部或/和各级孔腔相互间贯通部表面的粗糙度ra均不小于10nm，使得多孔材料毛细力进一步增大，骨再生能力更强。进一步说，所述的多孔材料，所述孔腔相互间贯通部截面直径不小于贯通部所连接的较小孔腔的孔径的60%，有助于保证多孔材料的贯通性与提高多孔材料整体的毛细力。进一步说，所述的多孔材料，最小级孔腔孔径小于10μm，有助于增大多孔材料的毛细力。进一步说，所述的多孔材料，最小级孔腔孔径小于1μm，使多孔材料的毛细力提高得更大。进一步说，所述多孔材料按照材料孔径大小分为三级，最小级孔腔孔径为纳米级，最小级孔腔上二级孔腔也即最大级孔腔的孔径为微米级，最小级孔腔上一级孔腔也即中间级孔腔的孔径介于最小级与最大级孔腔的孔径之间，该种三级结构的多孔材料，即有助于显著增大毛细力，又利于细胞的粘附、分化，从而有助于骨修复、骨再生。本发明的有益效果：本发明提供的多孔材料，通过在大孔腔的腔壁上设置下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通，使得贯通的小孔腔在材料本体内形成了毛细管体系，具有毛细作用，使得多孔材料具有较大的毛细力，最小级孔腔表面、同级孔腔贯通部表面、各级孔腔贯通部表面一定的粗糙度有助于进一步提高多孔材料毛细力，对多孔材料作为医用植入材料时为体液在材料的孔隙里流动提供了强大动力，促使体液加速流动，并有助于将骨细胞吸入孔隙，而贯通的大孔腔相对于小孔腔又避免了对体液流动产生较大阻力，并有助于体液在多孔材料中均匀流动，从而使得骨组织顺利、均匀地、深度长入多孔材料，实现骨组织再生，因而，它是真正的骨再生材料。附图说明下面将结合附图与实施例对本发明作进一步阐述。图1为本发明实施例2的第一级孔腔与第二级孔腔贯通结构示意图；图2为本发明实施例8的多孔钽样品宏观形貌照片；图3为本发明实施例8的多孔材料结构性能具有毛细现象的试验照片。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式作说明，实施方式以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。实施例1本实施例的多孔材料由磷酸三钙制备，为二级孔材料，本体中的第一级孔腔孔径为100μm-400μm，第二级孔腔孔径为110nm-300nm，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。其制备方法如下：（1）材料准备将颗粒最大尺寸为20nm-30nm的形状不规则磷酸三钙粉、作为造孔剂的粒径为200nm-400nm甲基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛粉、蒸馏水按照体积比3：7：5：15配制成浆料；超声分散30min，并反复搅拌3h，然后在150℃烘干。（2）将前述得到的烘干的粉末与作为造孔剂的粒径为180μm-500μm的尿素按照体积比1:4均匀混合，放入模具压制成致密坯体；（3）将致密坯体真空烧结，烧结温度1100℃，保温2h；烧结后的坯体按照磷酸三钙工艺进行常规后续处理得到二级孔磷酸三钙，在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔。将所制备的多孔磷酸三钙制备一平面，用trimostr-scan-p非接触微观形貌测量仪随机扫描其中5个第二级孔腔的腔壁表面，通过设备软件计算粗糙度ra值，结果如表1所示。表1第二级孔腔腔壁表面粗糙度ra测量值孔腔序号孔腔腔壁表面粗糙度ra测量值（nm）112215311414511平均值12.6将所制备的多孔磷酸三钙制备成10mm×10mm×60mm的样品，在20℃下竖直放入一浅杯中，加蒸馏水高度5mm，观察发现，水在29秒就沿多孔磷酸三钙上升至样品顶部。进一步实验，将所制备的多孔磷酸三钙制备多个10mm×10mm×200mm的样品，一个叠一个沿200mm长度方向立起并固定，放入一较大浅杯中，水在样品中不断上升，同时加水，使水位不变，水在该种多孔磷酸三钙中上升至3150mm，可见毛细作用非常显著，水可以浸润整个多孔材料。该种多孔磷酸三钙可用作承载小的骨植入材料。实施例2本实施例与实施例1相似，不同之处为在制备时，步骤（1）材料准备改为：将颗粒最大尺寸为20nm-30nm的形状不规则磷酸三钙粉、作为造孔剂的粒径为400nm-500nm甲基纤维素、直径为90nm-240nm长为2μm的聚乳酸纤维、聚乙烯醇缩丁醛粉、蒸馏水按照体积比3：7：3：5：15配制成浆料；超声分散30min，并反复搅拌3h，然后在150℃烘干。步骤（2）改为：将所得到的烘干的粉末与作为造孔剂的粒径为180μm-500μm的尿素及直径为82μm-330μm长为900μm的聚乳酸纤维按照体积比1:1:8均匀混合，制成致密坯体，制备出的多孔磷酸三钙具有两级孔，且两级是以孔径大小分级的；在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔相互间通过贯通部贯通，各级孔腔相互间通过贯通部彼此贯通，图1所示即为第一级孔腔与第二级孔腔贯通结构示意图，其中1为第一级孔腔，孔径为d1，2为第二级孔腔，孔径为d2，3为第一级孔腔与第二级孔腔贯通部，截面直径为d3，第二级孔孔腔之间、第二级孔孔腔与第一级孔孔腔的贯通部截面直径d3为68nm-187nm，第一级孔孔腔之间的贯通部截面直径为63μm-252μm。按照实施例1方法测试，多孔磷酸三钙的第二级孔腔的腔壁表面、第二级孔腔的贯通部表面、第二级孔腔与第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到12.3nm。进一步，按照实施例1方法将本实施例的多孔磷酸三钙制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在27秒就沿多孔磷酸三钙上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔磷酸三钙中上升4212mm，可见，由于贯通部表面粗糙度增加了毛细力，使得水沿多孔磷酸三钙上升至水面以上高度增加。该多孔磷酸三钙可用作承载小的骨植入材料。实施例3本实施例的多孔材料由羟基磷灰石制备，为二级孔材料，是以孔径大小分级的，第一级孔腔孔径为150μm-400μm，第二级孔腔孔径为850nm-980nm，在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。其制备方法与实施例1相似，其中，形状不规则羟基磷灰石粉颗粒最大尺寸为160nm-200nm。按照实施例1方法测试，第二级孔表面粗糙度ra值达到87nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔羟基磷灰石制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在38秒就沿多孔磷酸三钙上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔磷酸三钙中上升1650mm。该多孔羟基磷灰石可用作承载小的骨植入材料。实施例4本实施例与实施例3相似，制备方法参照实施例2，其中，形状不规则羟基磷灰石粉颗粒最大尺寸为160nm-200nm，制备出的多孔羟基磷灰石具有两级孔，且两级是以孔径大小分级的；在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。第二级孔腔之间、第二级孔腔与第一级孔腔的贯通部截面直径为530nm-620nm，第一级孔腔之间的贯通部截面直径为94μm-256μm。按照实施例1方法测试，该多孔羟基磷灰石的第二级孔腔的腔壁表面、第二级孔腔的贯通部表面、第二级孔腔与第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到86nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔羟基磷灰石制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在34秒就沿多孔羟基磷灰石上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔羟基磷灰石中上升1766mm。该多孔羟基磷灰石可用作承载小的骨植入材料。实施例5本实施例的多孔材料由钛制备，为二级孔材料，是以孔径大小分级的；第一级孔腔孔径为300μm-500μm，第二级孔腔孔径为2μm-4μm，在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。其制备方法与实施例1相似，其中，形状不规则钛粉颗粒最大尺寸为810nm-1000nm。按照实施例1方法测试，第二级孔表面粗糙度ra值达到446nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔钛制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在42秒就沿多孔钛上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钛中上升342mm。该多孔钛可用作承载重的骨植入材料。实施例6本实施例与实施例5相似，制备方法参照实施例2，其中，形状不规则钛粉颗粒最大尺寸为810nm-1000nm，该多孔钛具有两级孔结构，且两级是以孔径大小分级的；在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。按照实施例1方法测试，第二级孔腔的腔壁表面、第二级孔腔的贯通部表面、第二级孔腔与第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到441nm。制备出的多孔钛的第二级孔孔腔之间、第二级孔孔腔与第一级孔孔腔的贯通部截面直径为1.3μm-2.5μm，第一级孔孔腔之间的贯通部截面直径为193μm-320μm。按照实施例1方法将本实施例的多孔钛制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在38秒就沿多孔钛上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钛中上升420mm。该多孔钛可用作承载重的骨植入材料。实施例7本实施例的多孔材料由钽制备，为二级孔材料，且两级是以孔径大小分级的；在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。第一级孔腔孔径为300μm-500μm，第二级孔腔孔径为3μm-5μm。其制备方法与实施例1相似，其中，形状不规则钽粉颗粒最大尺寸为1μm-1.2μm，聚乙烯醇缩丁醛粉改为聚乙烯醇粉。按照实施例1方法测试，第二级孔腔腔壁表面粗糙度ra值达到486nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔钽制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在47秒就沿多孔钽上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钽中上升302mm。该多孔钽可用作承载重的骨植入材料。实施例8本实施例与实施例7相似，制备方法参照实施例2，其中，形状不规则钽粉颗粒最大尺寸为1μm-1.2μm，聚乙烯醇缩丁醛粉改为聚乙烯醇粉，制备的样品宏观形貌见图2，由图可见，第一级孔腔的腔壁上还有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。按照实施例1方法测试，该多孔钽的第二级孔腔的腔壁表面、第二级孔腔的贯通部表面、第二级孔腔与第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到481nm。制备出的多孔钽的第二级孔孔腔之间、第二级孔孔腔与第一级孔孔腔的贯通部截面直径为1.9μm-3.1μm，第一级孔孔腔之间的贯通部截面直径为204μm-330μm。参见图3，将本实施例的多孔钽制成20mm×20mm×60mm的样品，位于图中右边，同时将气相沉积方法制备的单一孔隙的孔径为300μm-500μm，尺寸为15mm×15mm×38mm的多孔钽（位于图中左边）放入浅杯加水试验，水加入5mm高度，结果表明，本实施例的多孔钽在毛细力作用下一接触水水就在材料内迅速上升，18秒时水沿多孔钽已上升至水面以上高度40mm，43秒时到达顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钽中上升351mm，而气相沉积方法制备的多孔钽水未在材料内部上升至杯里水面以上，可见本实施例的多孔钽毛细作用非常明显，气相沉积方法制备的多孔钽基本没有毛细作用。将本实施例制备的多孔钽及气相沉积方法制备的多孔钽分别制成φ6×8mm大小的颗粒，经γ-射线消毒后密封包装。选取骨龄成熟的普通杂种犬1只，雌雄不分，体重14-16kg，用3%戊巴比妥钠在腹腔注射麻醉动物，全麻后，剔除后腿股骨处毛发，切开股骨外皮肤、皮下组织、肌肉，剥离骨膜，用牙科牙钻在股骨近端上钻孔，分别将上述两种多孔钽颗粒塞入，一条腿塞一个，然后分层缝合。术毕肌注青霉素预防切口感染。术后14周处死，取下植入多孔钽的股骨，尽量去除表面的软组织。将试验材料固定、包埋、切片，片厚4μm，masson三色染色法观察多孔钽内部新生骨情况。观察结果表明，本实施例制备的多孔钽术后14周骨组织全部长满多孔钽孔隙体积，且分布均匀，而气相沉积方法制备的多孔钽14周骨组织长入最大深度仅为1.8mm，且不均匀。实施例9本实施例的多孔材料由铌制备，为二级孔材料，且两级是以孔径大小分级的，第一级孔腔孔径为350μm-600μm，第二级孔腔孔径为8μm-9.5μm，在第一级孔腔的腔壁上有第二级孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。其制备方法与实施例1相似，其中，形状不规则铌粉颗粒最大尺寸为1.7μm-2.5μm。按照实施例1方法测试，第二级孔表面粗糙度ra值达到837nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔铌制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在60秒沿多孔铌上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔铌中上升119mm。该多孔铌可用作承载重的骨植入材料。实施例10本实施例与实施例9相似，制备方法参照实施例2，其中，形状不规则铌粉颗粒最大尺寸为1.7μm-2.5μm，按照实施例1方法测试，该多孔铌的第二级孔腔的腔壁表面、第二级孔腔的贯通部表面、第二级孔腔与第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到834nm。制备出的多孔铌的第二级孔孔腔之间、第二级孔孔腔与第一级孔孔腔的贯通部截面直径为4.9μm-6μm，第一级孔孔腔之间的贯通部截面直径为221μm-373μm。按照实施例1方法将本实施例的多孔铌制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在54秒沿多孔铌上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔铌中上升141mm。该多孔铌可用作承载重的骨植入材料。实施例11本实施例由钽制备，为三级孔材料，以孔径大小分级，第一级孔腔孔径为400μm-600μm，第二级孔腔孔径为1μm-100μm，第三级孔腔孔径为300nm-340nm，在大孔腔的腔壁上有下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。制备方法参照实施例1，其中，形状不规则钽粉颗粒最大尺寸为90nm-110nm，在步骤（2）中，材料均匀混合后，将混合材料与聚乙烯醇溶液制成浆料，将孔径为570μm-800μm的聚氨酯泡沫浸入浆料，取出烘干后真空烧结、热处理后制得三级孔多孔钽。按照实施例1方法测试，该多孔钽的第三级孔腔的腔壁表面、第三级孔腔之间的贯通部的表面、第三级孔腔与第二、第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到43nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔钽制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在33秒就沿多孔钽上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钽中上升3937mm。该多孔钽可用作承载重的骨植入材料。实施例12本实施例由钽制备，为三级孔材料，以孔径大小分级，第一级孔腔孔径为400μm-600μm，第二级孔腔孔径为1μm-100μm，第三级孔腔孔径为300nm-340nm，且在大孔腔的腔壁上有下级小孔腔，同级孔腔均相互贯通，且各级孔腔相互间也彼此贯通。制备方法参照实施例2，其中，形状不规则钽粉颗粒最大尺寸为90nm-110nm，在步骤（2）中，几种材料均匀混合后，将混合材料与聚乙烯醇溶液制成浆料，将孔径为570μm-800μm的聚氨酯泡沫浸入浆料，取出烘干后真空烧结、热处理后制得三级孔多孔钽。制备出的多孔钽的第三级孔孔腔之间、第三级孔孔腔与第二级孔孔腔及第一级孔孔腔的贯通部截面直径为194nm-217nm，第二级孔孔腔之间、第二级孔孔腔与第一级孔孔腔的贯通部截面直径为0.7μm-63μm，第一级孔孔腔之间的贯通部截面直径为246μm-372μm。按照实施例1方法测试，该多孔钽的第三级孔腔的腔壁表面、第三级孔腔之间的贯通部的表面、第三级孔腔与第二、第一级孔腔之间的贯通部的表面粗糙度ra值达到43nm。按照实施例1方法将本实施例的多孔钽制成10mm×10mm×60mm的样品放入浅杯加水试验，水在32秒就沿多孔钽上升至样品顶部，按照实施例1试验方法进一步试验，水在该种多孔钽中上升4387mm。该多孔钽可用作承载重的骨植入材料。当前第1页12