一种具有高生物相容性的镁基材料的制备方法及其应用与流程

一种具有高生物相容性的镁基材料的制备方法及其应用
1.技术领域
2.本发明涉及生物医用材料技术领域，具体讲是一种具有高生物相容性的镁基材料的制备方法及其应用。


背景技术：

3.传统骨科内植入物，如不锈钢、钛合金、钴镍合金等惰性金属材料，因其高强度、良好的韧性及耐腐蚀性在临床中被广泛应用。但由于其过高的刚度所致的应力遮挡效应可引起局部骨组织骨质疏松、愈合不佳，且因这些金属材料在体内无法降解吸收，常需进行二次取出手术，增添了患者痛苦、加重了医疗资源负担。
4.基于以上骨科内植入物尚存在的不足，可吸收内植入物的研究越来越受到重视。由于镁及镁合金具有良好的生物相容性、力学性能和生物可降解性，而且其无害的降解产物可通过人体新陈代谢排出体外，故而受到了国内外研究的广泛关注。从材料的仿生学角度考虑，镁及镁合金的弹性模量约45gpa，更为接近人骨的弹性模量；其密度约为1.75g/cm3，更为接近人骨的密度，更符合理想骨科内固定物材料的要求。因此，镁合金被誉为“下一代生物医用金属材料”。
5.但是镁基金属在体内降解速度较快，骨折愈合前即已丧失外形完整性和力学强度，同时释放大量氢气，存在不可忽视的安全隐患。同时，镁基材料的表面细胞相容性较差，因此，如何提高镁基材料的防腐蚀性能以及材料表面细胞相容性是本领域的重要研究课题。
6.微弧氧化（mao）是工业领域镁合金腐蚀防护的常用技术。采用微弧氧化工艺可在镁合金表面生成较厚、致密、坚硬的氧化层。但是在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等离子体氧化同时存在，因此涂层的形成过程非常复杂，至今还没有一个合理的模型能全面描述涂层的形成；因此，最终涂层的微观形貌需要依靠具体的电解液配方及电源脉冲等电解条件相结合来控制。研究发现，涂层的表面细胞相容性与涂层的组成及微观形貌息息相关。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺点：提供一种具有高生物相容性的镁基材料的制备方法，通过该制备方法制备的镁基材料不但具有高附着力、防腐蚀的涂层，而且能实现良好的表面力学性能、表面细胞相容性，非常适用于制造骨科内植入物。
8.本发明的技术解决方案如下：一种具有高生物相容性的镁基材料的制备方法，包括以下步骤：1）将镁基材料表面抛光处理后，清洗、烘干备用；
2）将经步骤1）烘干后的镁基材料进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾8-13g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁基材料为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为300-750v，占空比为2.5-40%，工作频率为500-700 hz，温度控制在20-30℃，ph值控制在11-13，处理时间为5-10min；上述电解液配方及微弧氧化处理的电解条件是制备出类骨钙磷陶瓷层的关键，从而有效提高生物相容性。
9.3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁基材料用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置2-5min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，将步骤2）处理后的镁基材料浸没在所述胶体中并将容器密封0.5-2h后，取出镁基材料成膜4-5天，即可制得具有高生物相容性的镁基材料。容器密封可有效减缓有机溶剂挥发，避免成膜时候出现气泡。
10.作为优化，步骤1）中镁基材料表面抛光处理具体为依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸打磨抛光。
11.作为优化，步骤1）中镁基材料的清洗具体为依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min。
12.作为优化，步骤1）中镁基材料的烘干温度为40℃。
13.作为优化，步骤2）电解液的具体配置过程为依次在水中单独加入一种组分，待前一组分完全溶解后再加入下一组分，全部溶解后超声分散处理。
14.较佳地，步骤4）中ptmc在胶体中的浓度为35 g/l。该浓度下结合上述处理时间能控制成膜厚度，浓度过高会导致厚度太大，影响钙磷陶瓷层的类骨微观结构，浓度过低厚度太薄难以实现较好的细胞相容性。
15.所述镁基材料为镁或镁合金。
16.本发明还提供一种上述方法制备的具有高生物相容性的镁基材料的应用，具体用于制备骨科内植入物，如用于骨科医疗锚钉。
17.本发明的有益效果是：本发明首先通过具体的电解液配方及微弧氧化处理的电解条件相结合在镁基材料表面制备具有特定组成及类骨微观结构的钙磷陶瓷层，有效提高镁基材料表面力学性能的同时，还能提高其防腐蚀性能，并且钙磷陶瓷层的组成及微观结构在用于骨科植入物时非常有利于成骨，微弧氧化的处理条件使得镁基材料表面存在微米级盲孔，有利于各涂层附着；然后再将形成类骨钙磷陶瓷层的镁基材料浸没在由ptmc与1，4-二氧六环混合而成的胶体中于容器中密封一段时间后，取出成膜，使得钙磷陶瓷层的表层具备一定厚度的ptmc涂层，再次提高材料防腐蚀性能的同时，还有效提高材料表面细胞相容性。本发明制备的钙磷陶瓷层与骨的化学成分以及微观结构相似，在用于骨科植入物时非常有利于成骨。聚（1，3-三亚甲基碳酸酯）（ptmc）是美国食品药品监督管理局（fda）批准的表面防腐蚀材料。它可以保持均匀的表面，在降解过程中不会产生酸性产物。它具有较高的原始机械强度和较低的血小板粘附性和激活性。因此，结合所述钙磷陶瓷层能进一步提高作为镁基植入物的防腐蚀性以及细胞相容性。
附图说明
18.图1为对比例1制备的裸镁试样b腐蚀前的电镜图。
19.图2为对比例1制备的裸镁试样b腐蚀后的电镜图。
20.图3为对比例2制备的具备钙磷陶瓷层的镁片试样c腐蚀前的电镜图。
21.图4为对比例2制备的具备钙磷陶瓷层的镁片试样c腐蚀后的电镜图。
22.图5为实施例1制备的具有高生物相容性的镁片试样a腐蚀前的电镜图。
23.图6为实施例1制备的具有高生物相容性的镁片试样a腐蚀后的电镜图。
24.图7为对比例1制备的裸镁试样b的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。
25.图8为对比例2制备的具备钙磷陶瓷层的镁片试样c的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。
26.图9为实施例1制备的具有高生物相容性的镁片试样a的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。
具体实施方式
27.下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
28.实施例1按照以下步骤制备具有高生物相容性的镁片试样：1）依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸将镁片试样研磨抛光，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再于40℃烘箱中烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾8g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为450v，占空比为25%，工作频率为500 hz，温度控制在25℃，ph值控制在12，处理时间为5min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置2min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，ptmc在胶体中的浓度为35 g/l，将步骤2）处理后的镁片试样浸没在所述胶体中并将容器采用保鲜膜密封2h后，取出镁片试样成膜5天，制得具有高生物相容性的镁片试样a。
29.实施例2按照以下步骤制备具有高生物相容性的镁片试样：1）依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸将镁片试样研磨抛光，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再于40℃烘箱中烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾10g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为350v，占空比为40%，工作频率为700 hz，温度控制在25℃，ph值控制在12，处理时间为6min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置5min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，ptmc在胶体中的浓度为35 g/l，将步骤2）处理后的镁片试样浸没在所述胶体中并将容器采用保鲜膜密封1h
后，取出镁片试样成膜4天，制得具有高生物相容性的镁片。
30.实施例3按照以下步骤制备具有高生物相容性的镁片试样：1）将镁片试样表面抛光处理后，清洗、烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾12g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为450v，占空比为20%，工作频率为600 hz，温度控制在25℃，ph值控制在12，处理时间为6min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置5min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，ptmc在胶体中的浓度为35 g/l，将步骤2）处理后的镁片试样浸没在所述胶体中并将容器采用保鲜膜密封1h后，取出镁片试样成膜4天，制得具有高生物相容性的镁片。
31.实施例4按照以下步骤制备具有高生物相容性的镁片试样：1）将镁片试样表面抛光处理后，清洗、烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾13g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为500v，占空比为10%，工作频率为700 hz，温度控制在25℃，ph值控制在12，处理时间为6min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置5min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，ptmc在胶体中的浓度为35 g/l，将步骤2）处理后的镁片试样浸没在所述胶体中并将容器采用保鲜膜密封2h后，取出镁片试样成膜5天，制得具有高生物相容性的镁片。
32.实施例5按照以下步骤制备具有高生物相容性的镁片试样：1）依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸将镁片试样研磨抛光，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再于40℃烘箱中烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾10g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为350v，占空比为30%，工作频率为500 hz，温度控制在25℃，ph值控制在13，处理时间为6min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置5min，然后干燥备用；4）将ptmc与1，4-二氧六环混合搅拌均匀制成胶体置于容器中，ptmc在胶体中的浓度为35 g/l，将步骤2）处理后的镁片试样浸没在所述胶体中并将容器采用保鲜膜密封2h后，取出镁片试样成膜4天，制得具有高生物相容性的镁片。
33.对比例1
依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸将镁片试样研磨抛光，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再于40℃烘箱中烘干制得裸镁试样b。
34.对比例21）依次采用600、800、1200、2000、5000目的砂纸将镁片试样研磨抛光，依次置于丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗15min，再于40℃烘箱中烘干备用；2）将经步骤1）烘干后的镁片试样进行微弧氧化处理，其中微弧氧化处理的电解液组成为：氢氧化钙 0.8g/l，六偏磷酸钠 3.5g/l ，氟化钾8g/l；所述微弧氧化处理的电解条件为：以镁片试样为阳极，不锈钢为阴极，选用双极性脉冲电源，电压为450v，占空比为25%，工作频率为500 hz，温度控制在25℃，ph值控制在12，处理时间为5min；3）将步骤2）微弧氧化处理后的镁片试样用蒸馏水冲洗后，放入无水乙醇中静置2min，然后干燥备用；制得具备钙磷陶瓷层的镁片试样c。
35.腐蚀实验将上述实施例1以及对比例1-2制备的具有高生物相容性的镁片试样a、裸镁试样b、具备钙磷陶瓷层的镁片试样c在以下腐蚀条件下做腐蚀实验：在37℃温度下，将具有高生物相容性的镁片试样a、裸镁试样b、具备钙磷陶瓷层的镁片试样c置于pbs溶液中72h。
36.腐蚀实验结果裸镁试样b腐蚀前的电镜图如图1所示，腐蚀后的电镜图如图2所示。可见裸镁极易被腐蚀。
37.具备钙磷陶瓷层的镁片试样c腐蚀前的电镜图如图3所示，腐蚀后的电镜图如图4所示。可见具备钙磷陶瓷层的镁片试样c具有似骨微观结构，有效提高镁片试样表面力学性能、防腐蚀性能的同时，还能有效削减应力遮挡效应，利于成骨。
38.具有高生物相容性的镁片试样a腐蚀前的电镜图如图5所示，腐蚀后的电镜图如图6所示。可见ptmc膜并未脱落，继续起到抗腐蚀作用。
39.细胞粘附实验将上述实施例1以及对比例1-2制备的具有高生物相容性的镁片试样a、裸镁试样b、具备钙磷陶瓷层的镁片试样c在以下条件下做细胞粘附实验：细胞接种浓度3 x 10
4 cells /ml，37℃恒温培养箱培养72h。
40.细胞粘附实验结果图7为裸镁试样b的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。可见细胞死亡，裸镁表面不适合细胞生长。
41.图8为具备钙磷陶瓷层的镁片试样c的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。可见细胞死亡，钙磷陶瓷层表面不适合细胞生长。
42.图9为具有高生物相容性的镁片试样a的细胞粘附实验共聚焦显微镜图。可见，经过实施例1的微弧氧化及ptmc成膜处理后，细胞相容性得到改善，细胞粘附情况良好。
43.以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。