專利名稱：一種提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物可降解材料技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于純鐵或鐵合金可降解心血管支架，具體為一種在現(xiàn)有生物可降解純鐵或鐵合金上引入孔隙結(jié)構(gòu)來提高材料降解速率的新型方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的金屬醫(yī)療器械在植入人體服役結(jié)束后，一般需要經(jīng)過二次手術(shù)取出，增加了手術(shù)風(fēng)險以及患者的痛苦和經(jīng)濟壓力。而有些金屬醫(yī)療器械一旦植入人體，就很難再次取出，而永久地保留在人體內(nèi)。人體對異物的排斥作用，需要患者長期服用相關(guān)藥物，病痛將伴隨一生。此外，永久性金屬植入體還有其他不足之處。以心血管支架為例，目前臨床使用的金屬支架由于不可降解，在人體內(nèi)的長期存留可能會引起心血管的慢性損傷，后期易造成心血管的中層萎縮、動脈瘤形成及反應(yīng)性的內(nèi)膜增生等，因而易導(dǎo)致心血管內(nèi)再狹窄的發(fā)生。針對這些臨床問題，生物可降解金屬植入材料的研發(fā)受到人們的廣泛關(guān)注。目前，生物可降解金屬材料的研究主要集中鎂基金屬(純鎂和鎂合金)和鐵基金屬(純鐵和鐵合金)兩大方向。鎂合金由于過快的降解速度、較差的力學(xué)性能等問題，目前還不能完全滿足生物可降解植入體的臨床使用要求。鐵基金屬以其優(yōu)異的綜合性能及生物可降解性，逐漸引起了材料科學(xué)工作者和臨床醫(yī)生的興趣。生物可降解鐵基金屬的優(yōu)勢在于(I )Fe是人體內(nèi)極其重要的微量元素，相關(guān)實驗研究表明，純鐵或鐵合金作為植入體具有一定的生物安全性。(2)鐵基金屬有著優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，相比鎂基金屬，具有較高的強度和良好的塑性，能夠滿足植入器械在使用過程中的各種力學(xué)性能需求。(3) Fe本身是一種容易腐蝕氧化的金屬，而相比鎂合金較快的降解速率，純鐵或鐵合金較慢的降解速率能夠保證植入體在服役期內(nèi)保持必要的力學(xué)性能。(4)生物相容性好，根據(jù)目前的一些研究成果，包括純鐵和鐵合金的體外血液實驗、細胞毒性實驗和動物體內(nèi)實驗等，均表明其具有較好的生物相容性,這是作為外科植入體的必要條件。但是，純鐵較慢的降解速率也是其作為生物可降解金屬材料的一個最主要的限制瓶頸。研究表明，純鐵在植入體內(nèi)I年后只在表面有輕微的腐蝕，在體內(nèi)的存留時間相對過長，還不能成為一種理想的可降解植入材料。為了提高純鐵的降解速率，人們開展了大量的研究工作，主要是通過合金化的方法來開發(fā)新型的高腐蝕速率的鐵合金。如Hermawan等研發(fā)的 Fe-(25% 35%)Mn 合金，Y. F. Zheng 等研發(fā)的 Fe-X(X=Mn、Co、Al、W、Sn、B、C、S)合金，Michael Schinhammer 等研發(fā)的 Fe-10Mn-lPd、Fe-10Mn_0· 7C_lPd 合金。與純鐵相比，這些新型可降解鐵合金的降解速率均有不同程度的提高，但是離臨床使用的要求還有較大的距離，鐵基合金降解速率的提高還有很大空間。在不改變鐵基合金成分的前提下，如何來進一步提高其降解速率，通過材料外形結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，不失為一種值得嘗試的途徑。眾所周知，材料的腐蝕形式有很多種類型，如均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、電偶腐蝕等。其中縫隙腐蝕是指金屬材料表面由于窄縫或間隙的存在，腐蝕介質(zhì)的擴散受到很大限制，由此導(dǎo)致窄縫內(nèi)金屬腐蝕加速的現(xiàn)象。通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入縫隙腐蝕過程，來提高純鐵或鐵合金的生物降解速率，應(yīng)該是一種創(chuàng)新的研究策略。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決目前作為生物可降解金屬材料發(fā)展的純鐵和鐵合金的降解速率過于緩慢的問題，根據(jù)縫隙腐蝕的原理，在鐵基可降解材料上設(shè)計和制作各種類型的孔隙結(jié)構(gòu)，以達到提高材料降解速率的目的。本發(fā)明具體提供了一種提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造出孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高純鐵或鐵合金在生理環(huán)境中的降解速率。該種方法能夠使得純鐵或鐵合金在降解過程中發(fā)生縫隙腐蝕，與不帶有孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計的材料相比，其整體的降解速率得到明顯提高，同時還能保持材料原有的生物相容性。本發(fā)明提供的提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于可以在純鐵或鐵合金上制造兩種形狀的孔隙(a)橫截面分別為圓形、長方形、正方形、三角形、五邊形、六邊形或不規(guī)則形狀，孔徑大小(定義孔徑橫截面最遠兩點間距離為孔徑大小)為O. OI O. 30mm,孔徑大小的優(yōu)選值為O. 05 O. 15mm。( b )橫截面為窄縫狀，縫的寬度為O. θΓθ. 25mm，縫的長度為O. 5^5. 0mm，長寬比范圍優(yōu)選值為3 50。本發(fā)明提供的提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙類型為通孔、盲孔，以及具有錐度的通孔、盲孔。本發(fā)明提供的提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙分布為孔隙構(gòu)成的圖案是以長方形、正方形、六邊形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布或不規(guī)則形狀；最近鄰兩個孔隙間的距離(定義孔隙間的距離為最相鄰的兩個孔隙其橫截面邊緣最近兩點間的距離)為O. 05^2. 00mm。本發(fā)明提供的提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于所述純鐵或鐵合金為生物可降解的純鐵或鐵合金，其中鐵合金為Fe-Mn、Fe-Mn-S, Fe-Mn-C, Fe-Mn-Pd,Fe-Mn-C-Pd, Fe-S, Fe-C, Fe-Al ;按照質(zhì)量百分比，各組分含量分別為=Mn :20 35%，S O. Γ1. 0%, C 0. 5 3%，Pd 0. 5 I. 5%, Al 0. 5 3%，其余均為 Fe。本發(fā)明提供的提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造孔隙的工藝方法為腐蝕造孔法、激光打孔法、電化學(xué)腐蝕法、金屬沉積法。本發(fā)明還提供了該述提高純鐵或鐵合金生物降解速率方法的應(yīng)用，其特征在于該方法設(shè)計的純鐵和鐵合金材料適用于制造各種可被人體吸收和降解的植入器件，包括血管支架、骨釘、骨板、骨組織工程支架，特別適用于生物可降解心血管支架的制造。本發(fā)明通過引入縫隙腐蝕過程來提高材料的整體降解速率，促進解決和改善目前純鐵或鐵合金材料降解速率過于緩慢的問題，其優(yōu)點在于I.生物可控降解性。本發(fā)明通過選擇純鐵、不同成分的鐵合金以及設(shè)計不同形狀、不同類型、不同分布的孔隙結(jié)構(gòu)，來使材料獲得不同的降解速率，以滿足不同植入體的醫(yī)療設(shè)計要求。2.生物相容性。根據(jù)目前的一些研究成果，F(xiàn)e是人體內(nèi)極其重要的微量元素。相關(guān)的純鐵和鐵合金的體外血液相容性實驗、細胞毒性實驗和動物體內(nèi)實驗表明，這些材料具有較好的生物相容性。
3.生物安全性。相比其他通過添加合金元素來提高降解速率的方法，本發(fā)明在不改變材料成分的前提下，選擇具有生物相容性的純鐵或鐵合金，通過不同的孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計達到提高降解速率的目的，保證了其作為生物可降解材料必要的安全性。4.適用范圍廣。本發(fā)明的材料選擇及其結(jié)構(gòu)設(shè)計適用于制造各種可被人體吸收降解的植入體，應(yīng)用于醫(yī)療器械領(lǐng)域的多個方面，包括血管支架(冠脈支架、腦血管支架、腎動脈支架、大動脈支架、外周血管支架)、骨釘、骨板、骨組織工程支架，特別適用于生物可降解心血管支架的制造。


圖I孔隙以正方形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布示意圖(其中虛線框所示為一個孔隙結(jié)構(gòu)，可設(shè)計成不同形狀、類型的孔隙);圖2孔隙以三角形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布示意圖；圖3橫截面為窄縫狀的孔隙以長方形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布示意圖；圖4橫截面為窄縫狀的孔隙以三角形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布示意圖；圖5為本發(fā)明實施例6中含有孔隙結(jié)構(gòu)的Fe-25Mn_l樣品的SEM照片。
具體實施例方式選擇實驗材料，切取大小為11X11X0. 2mm的樣品，表面用水砂紙打磨至2000#
后，按照孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計進行打孔。然后將打孔后的樣品和空白對照樣品進行浸泡失重實驗，所得實驗結(jié)果，按照如下公式計算降解速率
權(quán)利要求
1.一種提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金材料上制造出孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高純鐵或鐵合金在生理環(huán)境中的降解速率。
2.如權(quán)利要求I所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙形狀為橫截面分別為圓形、長方形、正方形、三角形、五邊形、六邊形或不規(guī)則形狀，孔徑大小為O. 0Γ0. 30mm。
3.如權(quán)利要求2所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于孔徑大小為 O. 05 O. 15mm。
4.如權(quán)利要求I所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙形狀為橫截面為窄縫狀，縫的寬度為O. θΓθ. 25mm,縫的長度為O. 5^5. 0mm，長寬比范圍為3 50。
5.如權(quán)利要求f4所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙類型為通孔、盲孔，以及具有錐度的通孔、盲孔。
6.如權(quán)利要求廣4所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造的孔隙分布為孔隙構(gòu)成的圖案是以長方形、正方形、六邊形為單元的結(jié)構(gòu)重復(fù)分布或不規(guī)則形狀；最近鄰兩個孔隙間的距離為O. 05^2. 00_。
7.如權(quán)利要求f4所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于所述純鐵或鐵合金為生物可降解的純鐵或鐵合金，其中鐵合金為Fe-Mn、Fe-Mn-S, Fe-Mn-C,Fe-Mn-Pd, Fe-Mn-C-Pd, Fe-S, Fe-C, Fe-Al ;按照質(zhì)量百分比，各組分含量分別為=Mn 20 35%，S 0. Γ1. 0%, C 0. 5 3%，Pd 0. 5 I. 5%, Al 0. 5 3%，其余均為 Fe。
8.如權(quán)利要求f4所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造孔隙的工藝方法為腐蝕造孔法、激光打孔法、電化學(xué)腐蝕法、金屬沉積法。
9.一種如權(quán)利要求I所述提高純鐵或鐵合金生物降解速率方法的應(yīng)用，其特征在于該方法設(shè)計的純鐵或鐵合金材料適用于制造各種可被人體吸收和降解的植入器件，包括血管支架、骨釘、骨板、骨組織工程支架，特別適用于生物可降解心血管支架的制造。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種提高純鐵或鐵合金生物降解速率的方法，其特征在于在純鐵或鐵合金上制造出孔隙結(jié)構(gòu)，從而提高純鐵或鐵合金在生理環(huán)境中的降解速率。該方法旨在解決目前作為生物可降解金屬材料發(fā)展的純鐵和鐵合金的降解速率過于緩慢的問題，根據(jù)縫隙腐蝕的原理，在鐵基可降解材料上設(shè)計和制作各種類型的孔隙結(jié)構(gòu)，以達到提高材料降解速率的目的。與不帶有孔隙結(jié)構(gòu)設(shè)計的材料相比，其整體的降解速率得到明顯提高，同時還能保持材料原有的生物相容性。
文檔編號A61L27/58GK102912171SQ20121036228
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者陸喜, 譚麗麗, 楊柯 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所