一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金及其制备方法与流程

本发明涉及医用材料领域，具体来说涉及一种一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金及其制备方法。

背景技术：

1、医用金属材料是近几年高速发展的生物材料,由于其优良的机械性能,相比非金属材料而言更加适合承重部位的植入材料。如今常用的医用金属材料包括不锈钢、钛及钛合金、钴铬合金、贵金属、镁合金等。

2、镁合金由于其较低的密度，较高的强度，以及容易进行机械加工和焊接的特性，成为广泛使用的医用金属材料。人体内的镁在溶液介质中发生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，从而使镁合金材料在体内逐渐被降解吸收。镁合金因具有良好的力学性能、可控腐蚀性能和降解产物的最小副作用等优点而成为人体支架或支撑、承重材料的首选。但是镁性质比较活泼，在人体内很容易被腐蚀，即降解速率过快，这曾经是镁合金在人体内被应用的缺点，但是和其他金属材料不同，镁本身是人体所必须的一种重要元素，可以将镁合金作为一种在人体内吸收降解性材料来利用。现有技术中不少学者和研究人员针对应用在人体的镁合金作了研究。近年来，生物相容性安全的钴铬生物合金成为欧美患者非贵金属烤瓷修复的首选。钴铬生物烤瓷合金兼具硬度高、塑性好、不易腐蚀等特点。同时，打磨方便，长桥和卡扣不易变形。但进口的钴铬生物烤瓷合金价格相对较贵不易在国内大量推广应用。同时，用于颅内支架的可降解钴铬合金相容国内几乎是空白。

3、cn101883592a公开了涂覆有磷酸钙的诸如支架之类的医疗器械及其制造工艺。所述支架可包括钴铬合金，该钴铬合金经过了处理以改善与磷酸钙之间的表面附着性和/或改善表面光洁度性能。活性药剂可以存在于磷酸钙涂层中。

4、cn109536782a属于精密合金功能材料领域，特别涉及一种医疗用高韧性钴铬合金；该合金可用作骨科铸造合金，包括牙科烤瓷合金、烤瓷支架恢复体等。其化学组成成分按质量百分比为cr 24.0-29.0％，mo 4.0％-8.0％，fe 1.3-2.0，ti 0.2-0.8％，mn 0.1-0.5％，p≤0.010％，s≤0.010％，其余为co。本发明提供的钴铬合金，密度为8.2g/cm3；屈服强度≥650mpa，最高可超过700mpa；维氏硬度≥390kgf/mm2；伸长率≥18％；比国产传统烤瓷铸造合金高出近6倍；同时，加工性能良好，可以广泛应用于生物医学领域。

5、cn103484845a公开了一种涉及生物可降解合金/钙磷涂层复合材料的制备方法，包括基体预处理步骤、转化液配置步骤、仿生钙磷涂层制备步骤，制备得到生物可降解合金/钙磷涂层复合材料。与现有技术相比，本发明制备得到的zk60镁合金/钙磷涂层复合材料能明显提高zk60镁合金的耐蚀性能，大大降低了其在仿生体液中的降解速率，促进了zk60镁合金在医用领域的研究和应用。

6、cn108581392a公开了一种生物医用可降解合金表面细晶复合层的制备方法及应用，步骤为：对镁合金基板进行打磨处理、化学清洗；在镁合金基板表面冷喷涂纳米羟基磷灰石粉末，得到纳米羟基磷灰石涂层；对带有纳米羟基磷灰石涂层的镁合金基板表面进行搅拌摩擦加工，在镁合金表面形成纳米羟基磷灰石-细晶复合组织。本发明基于高效快速的冷喷涂涂层制备技术和搅拌摩擦加工技术，成功地在镁合金表面制备了纳米羟基磷灰石-细晶复合组织层，具有工艺合理、成本低、效率高且环保等优点，不仅能够有效提高生物医用可降解合金的耐腐蚀性能，还兼具优异的细胞亲和力和促成骨功能，能调控成骨细胞的生物医学功能，提高骨整合能力，在骨科内植入等医疗领域具有广阔的应用前景。

7、cn111593279a公开了一种医用镁基材料复合生物涂层降解速率可控的方法，通过改变6个影响降解速率的工艺参数来制备不同降解速率的医用镁基材料复合生物涂层，6个工艺参数为激光能量、喷丸温度、激光喷丸次数、电流密度、处理时间和电解液浓度，以上述6个工艺参数为输入层，降解速率为输出层，使用遗传算法优化的bp神经网络进行网络训练，得到一个误差较小的bp神经网络预测模型。本发明具有良好的智能特性，大大简化了降解速率的预测与控制过程，节省了人力、物力与财力。有效地提高了医用合金植入材料的耐腐蚀性能和机械性能，为医用镁合金植入材料的广泛使用提供了可能。

8、上述现有技术中为提高生物合金的性能，特别是重要的生物相容性及可降解性这两个性能作了一定的研究。但是用于颅内血管支架的镁及钴铬合金因其具有的良好生物相容性及可降解性能的研究存在不足，限制了当前镁及镁合金的临床应用。因此亟需开发出一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金及其制备方法。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的生物可降解合金的生物相容性及降解可控性不足的问题，提供了一种的综合性能好，降解可控以及生物相容性高，用于颅内血管支架的的生物可降解合金。

2、生物相容性和降解可控性是生物可降解合金在生物医学应用中的两个关键性能特征，它们对于确保材料在人体内安全有效地发挥作用至关重要。发明人在本发明中主要针对上述两个性能对用于颅内血管支架的合金进行改性。具体地，发明人使用如下的机理：

3、生物合金材料设计上采用多层复合材料结构，例如至少含有如下的结构：钴铬合金a-磷酰胆碱涂层-镁合金b-表面涂层，发明人发现上述复合材料层结构能有效地增加生物合金的综合性能，特别是生物相容性和降解可控性。

4、本发明在钴铬合金a表面涂覆磷酰胆碱涂层是提高生物相容性的有效步骤。磷酰胆碱是人体颅内骨组织的主要成分之一，具有良好的生物活性。通过涂覆磷酰胆碱涂层，可以在材料表面形成仿生磷碱结构，有助于增强材料与周围血管以及血液组织的相互作用和整合。这样的结构有利于促进新生颅内血管及血液骨细胞的生长和颅内骨重建，从而提高材料在颅内骨骼固定等医学应用中的生物相容性。尤其对于用于颅内血管支架的合金材料，磷酰胆碱涂层对其提高合金材料的生物体颅内的生物相容性有至关重要的影响。

5、同时在镁合金b表面引入生物活性涂层也是提高生物相容性的重要手段。生物活性涂层，如硅磷酸氢钙(si-ha)，可以增加材料表面的生物活性，促进颅内血管内皮细胞的增殖和分化。这有助于材料与周围组织的更好整合，提高植入材料的生物相容性。

6、在发明中，使用不同组成的钴铬合金a和镁合金b，以及夹层结构的设计对于镁合金降解可控性的实现的关键。钴铬合金a和镁合金b的差异降解速率通过钴铬合金a和镁合金b具有不同的合金组成，分别调整了降解速率来实现。镁合金b被设计为降解速率较慢的材料，提供长期的支持和稳定性(后期的持续性)。而钴铬合金a被设计为降解速率较快的材料，为初期组织愈合提供更好的条件(前期的适合性)。通过差异降解速率的设计，可以在不同阶段提供不同的功能和支持，实现材料的降解可控性。

7、同时相比于现有技术，本发明提供的多层复合结构也含有如下优点：磷酰胆碱涂层和表面涂层在提高生物相容性的同时，也影响了合金的降解可控性。磷酰胆碱涂层在材料表面形成了一层稳定的仿生碱磷结构，这一结构可以减缓材料的降解速率。而提供，例如硅磷酸氢钙组成的表面涂层的存在，有助于促进材料表面的初期降解，增加材料初期的相对降解速率。通过这样的设计，可以调节材料的降解速率，实现降解过程的可控性。

8、本发明优点包括但不限于多层复合材料之间的协同作用。例如磷酰胆碱涂层与钴铬合金a：磷酰胆碱涂层与钴铬合金a之间的协同作用使得材料表面形成了仿生碱磷结构，有助于增强与颅内周围血管及血液组织的相互作用。这样的结构为新生颅内血管内皮细胞的生长和血管重建提供了良好的支持和引导。同时，由于钴铬合金a本身具有优异的机械性能，可以为颅内血管及血液组织提供稳定的支撑。这种协同作用有助于实现可降解合金在动脉瘤治疗等医学应用中的长期稳定性和良好的治疗效果。同时协同作用还包括但不限于表面涂层与镁合金b：表面涂层与镁合金b之间的相互作用使得材料表面具备更好的生物活性，促进颅内血管内皮细胞的增殖和分化。这有助于增强材料与周围组织的相互作用和整合。与此同时，钴铬合金a作为相对降解速率较快的材料，在初期可以为组织愈合提供更好的条件，促进新生组织的形成。加入镁合金b这种协同作用使得材料在初期具备较好的生物相容性，同时也确保了材料的可控降解，避免过快降解引起的材料失效。

9、降解可控性的协同作用包括磷酰胆碱涂层与钴铬合金a：磷酰胆碱涂层在钴铬合金a表面形成了一层稳定的仿生碱磷结构，这有助于减缓材料的降解速率。同时，钴铬合金a本身也是降解速率较慢的材料，提供了长期的稳定性和支持。这种协同作用使得材料在体内能够持续稳定地提供力学支持，同时降解速率适中，不会过快降解导致失效。协同作用还包括表面涂层与镁合金b：表面涂层的存在有助于加速材料表面的降解，增加了材料的降解速率。同时，镁合金b作为降解速率较快的材料，在初期提供了更好的组织愈合条件。这种协同作用使得材料在初期快速降解，有利于组织的愈合和重建，而在后期能够逐渐降解，避免过快降解引起的不稳定性和不良反应。

10、综上所述，多层复合结构之间的协同和相互作用对于可降解合金的生物相容性和降解可控性具有积极的影响。通过精心设计和优化多层复合结构，可以实现材料在不同阶段提供不同的功能和支持，最大程度地发挥其优异性能，为医学应用中的可降解合金带来更好的性能和效果。

11、具体地，本发明的第一方面提供一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金，其特征在于：上述生物可降解合金从下至上包含如下结构：

12、钴铬合金a层，所述钴铬合金a层的组成为：60-70％co-20-25％cr-余量为mo；

13、磷酰胆碱涂层，所述磷酰胆碱涂层涂覆在钴铬合金a层的表面上；

14、镁合金b层，所述镁合金b层的组成为：余量mg-2.0-5.0％ca-0.1-1.0％sr-0.1-1.0％si，所述镁合金b层涂覆在磷酰胆碱涂层的表面上；以及

15、表面涂层，所述表面涂层涂覆在镁合金b层的表面上。

16、在一些实施例中，所述生物可降解合金中，各层间的质量比例为钴铬合金a层：磷酰胆碱涂层：镁合金b层：表面涂层＝40-49％：10-20％：30-39％：1-10％。

17、在一些实施例中，所述表面涂层的组成包含包含硅磷酸氢钙(si-ha)。

18、本发明的第二方面提供一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金，其特征在于：上述生物可降解合金从下至上包含如下结构：

19、钴铬合金a层，所述钴铬合金a层的组成为：60-70％co-20-25％cr-余量为mo；

20、磷酰胆碱涂层，所述磷酰胆碱涂层涂覆在钴铬合金a层的表面上；

21、镁合金b层，所述镁合金b层的组成为：余量mg-2.0-5.0％ca-0.1-1.0％sr-0.1-1.0％si，所述镁合金b层涂覆在磷酰胆碱涂层的表面上；以及

22、表面涂层，所述表面涂层涂覆在镁合金b层的表面上。

23、在一些实施例中，所述生物可降解合金中，各层间的质量比例为钴铬合金a层：磷酰胆碱涂层：镁合金b层：表面涂层＝40-49％：10-20％：30-39％：1-10％。

24、在一些实施例中，所述表面涂层的组成包含包含硅磷酸氢钙(si-ha)。

25、本发明的第二方面提供一种提高生物相容性及降解可控性的生物可降解合金的其制备方法，包含如下步骤：

26、1)制备钴铬合金a层；

27、2)磷酰胆碱涂层涂覆在钴铬合金a层的表面；

28、3)镁合金b层涂覆在磷酰胆碱涂层表面；

29、4)表面涂层涂覆在镁合金b层表面。

30、在一些实施例中，所述磷酰胆碱涂层涂覆在钴铬合金a层的表面的步骤包括：

31、步骤1：钴铬合金a层的基体表面处理：去除表面的氧化物和杂质，并清洗干净；

32、步骤2：涂覆磷酰胆碱涂层：将上述合金羟基化，包括用氢氧化钠碱性溶液处理上述得到的合金，氢氧化钠浓度范围为5％～50％，处理时长为30min～5h，处理温度为30～80℃；

33、步骤3：硅烷化：γ氨丙基三乙氧基硅烷处理上述的合金，硅烷的溶剂由水、无水乙醇、冰醋酸组成,比例为：硅烷1％～10％,无水乙醇5％～50％，水20％～80％，冰醋酸0％～5％，硅烷溶液配置完成后水解，水解时间为1h～6h，水解温度为25-50℃，水解完成后置于烘箱内烘干，烘干温度为50c～120℃，烘干时长30min～2h；

34、步骤4：后处理：完成涂覆后，对上述合金进行后处理；

35、在一些实施例中，后处理包括：烧结或热处理，其温度为500-1000℃，时间范围为1-5h。

36、在一些实施例中，镁合金b层涂覆在磷酰胆碱涂层表面的步骤，包括将制备好的镁合金熔融，采用热喷涂，将其涂覆在磷酰胆碱涂层表面。

37、在一些实施例中，热喷涂速率为10-40g/s。

38、在一些实施例中，表面涂层涂覆在镁合金b层表面的步骤包括：

39、镁合金b层的预处理：包括表面除杂，抛光。

40、制备涂覆溶液：将适量的硅酸和磷酸氢钙混合在去离子水中，并在适当的条件下进行搅拌和混合，形成含有si-ha涂覆溶液；

41、涂覆过程：将经过表面处理的生物可降解合金基体浸入si-ha涂覆溶液中，让其充分浸渍，然后，将浸渍过的上述合金取出，并通过干燥或热处理使溶液中的si-ha化合物在上述合金的表面沉积形成涂层；

42、烧结或热处理：完成涂覆后，对上述的合金进行烧结或热处理；

43、表面处理：涂覆si-ha后，对涂层进行进一步的表面处理，包括打磨、抛光，以提高涂层的光滑度和整体质量。

44、在一些实施例中，烧结或热处理的温度范围为500-1000℃，时间范围为1-5h。

45、在一些实施例中，镁合金b层的制备方法包括：

46、1)熔融浇铸：密闭容器中，将各金属粉末按照需要的比例充分添加至熔融包中，控制温度在700-800℃下熔解，吹氩搅拌，进行浇铸，冷却；

47、2)热处理：将铸造得到的合金加热，控制温度200-250℃，退火处理1-5min，冷却；

48、3)热挤压：将热处理完成后的合金置入热挤压的模具中，控制温度250-300℃，挤出速率控制2-5mm/s，挤压的比例设定为10-15:1；

49、4)轧制成型：在320-350℃进行轧制，速度控制为20-30m/min，每道轧制的下压量控制在50-80％，得到成型的镁合金基体。

50、在一些实施例中，上述轧制完全，可根据需要，进一步进行一道热处理工序。

51、在一些实施例中，所述轧制前进行预热，预热时间不超过10min。

52、在一些实施例中，所述轧制道次不超过10次。

53、在一些实施例中，所述熔融浇铸时，吹氩搅拌是将氩气从熔融包中底部的气体口吹入。

54、在一些实施例中，所述钴铬合金a层采用熔融铸造的方法制备。

55、本发明获得的技术效果包括如下：

56、本发明设计的用于颅内血管支架的多层复合生物降解合金中，通过优化合金元素的组成比例及结构，得到钴铬合金a的降解速率较慢，具有较好的力学性能和生物相容性。这一层提供长期的支持和稳定性。在钴铬合金a的表面涂覆磷酰胆碱涂层，增强与颅内周围血管及血液组织的整合。磷酰胆碱涂层，具有良好的生物活性和生物相容性。镁合金b的组成为mg-ca-sr-si，通过添加sr和si元素，得到合金b的降解速率较快，促进周围组织的愈合和重建；以及使用本发明的仿生结构可提高血管新生内膜增殖，减少血栓形成，加速病变血管修复重建。这一层在生物材料初期提供支持和引导愈合过程。在镁合金b的表面引入生物活性涂层，如硅磷酸氢钙(si-ha)，以进一步促进愈合过程。硅磷酸氢钙涂层的组成为si-ha，有助于颅内血管内皮细胞的增殖和分化。

57、本发明多层复合材料的设计使得可降解合金生物材料在不同阶段提供不同的功能和支持。各个涂层之间发挥不同的作用，以及各层之间的协同作用对于生物可降解合金的综合性能有着积极的影响。