一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其包括具有均勻的多孔結(jié)構(gòu)或呈梯度變化的多孔結(jié)構(gòu)的基體和滲入該基體的強(qiáng)化相，所述基體由醫(yī)用的金屬絲編織而成，所述強(qiáng)化相為熔點(diǎn)比該金屬絲的熔點(diǎn)低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝滲入所述基體的多孔結(jié)構(gòu)中，然后用化學(xué)腐蝕劑進(jìn)行選擇性腐蝕部分去除該強(qiáng)化相，形成內(nèi)部實(shí)體而外部多孔的醫(yī)用梯度復(fù)合材料。本發(fā)明性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)合理，制備成本低，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、骨傳輸和骨誘導(dǎo)特性，能夠滿足大多數(shù)骨填充、骨修復(fù)、骨移植應(yīng)用的要求。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)用生物復(fù)合材料，具體涉及一種適用于骨修復(fù)和骨移植的醫(yī)用 梯度復(fù)合材料，屬于生物醫(yī)用材料【技術(shù)領(lǐng)域】。 一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料

【背景技術(shù)】
[0002] 人骨組織是一種梯度材料，骨植入材料要求其結(jié)構(gòu)與人骨相同，既要求骨科材料 有優(yōu)良的骨傳輸和骨誘導(dǎo)特性，同時(shí)要求其性能與人骨匹配。傳統(tǒng)的骨科材料主要有實(shí)體 材料和多孔材料，但是實(shí)體材料的彈性模量比人骨高的多，會(huì)引起"應(yīng)力屏蔽"現(xiàn)象而導(dǎo)致 手術(shù)的失敗，并且實(shí)體材料骨誘導(dǎo)特性較低；多孔材料雖然有良好的骨傳輸和骨誘導(dǎo)特性， 但是其力學(xué)性能往往較低，不能應(yīng)用在對強(qiáng)度要求較高的骨植入。此外不論是傳統(tǒng)的實(shí)體 材料還是多孔材料，其結(jié)構(gòu)與人骨不同，這對骨植入是不利的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料，該復(fù)合材料 性能與人骨相匹配，結(jié)構(gòu)與人骨相近，以滿足各類人工關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等）、脊柱融合 材料、骨支撐修復(fù)材料等的骨植入需要。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是：
[0005] -種醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其包括具有均勻的多孔結(jié)構(gòu)或呈梯度變化的多孔結(jié)構(gòu)的 基體和滲入該基體的強(qiáng)化相，所述基體由醫(yī)用的金屬絲編織而成，所述強(qiáng)化相為熔點(diǎn)比該 金屬絲的熔點(diǎn)低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝滲入所述基體的多孔結(jié)構(gòu) 中，然后用化學(xué)腐蝕劑進(jìn)行選擇性腐蝕部分去除該強(qiáng)化相，形成內(nèi)部實(shí)體而外部多孔的醫(yī) 用梯度復(fù)合材料。
[0006] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，通過改變所述金屬絲的絲徑或者編織方法控制所述基體的孔徑 和孔隙率，該基體的孔隙率在10% -90%范圍內(nèi)可調(diào)。
[0007] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的金屬絲為醫(yī)用鈦絲、鉭絲、鋯絲或不銹鋼絲，直徑為 0. 005mm一3mm。
[0008] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的強(qiáng)化相為鎂、鎂合金、鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鋅或鋅合 金。
[0009] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，通過控制腐蝕時(shí)間來調(diào)節(jié)強(qiáng)化相的去除體積，調(diào)控所述基體與 強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)，以調(diào)控所述醫(yī)用梯度復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，滿足不同情況下的 使用要求。
[0010] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的腐蝕時(shí)間為3-45分鐘，所述的強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)在 0 % -90 %范圍內(nèi)可調(diào)。
[0011] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的化學(xué)腐蝕劑為鹽酸、硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
[0012] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的梯度復(fù)合材料的孔隙率范圍為0%至90%，抗壓強(qiáng)度范 圍為5. 0MPa-300MPa，壓縮彈性模量范圍為100MPa-120GPa。
[0013] 作為進(jìn)一步改進(jìn)，所述的梯度復(fù)合材料在制備過程中添加Ag、Ca或Sr元素，制備 完成后進(jìn)行微弧氧化或陽極氧化表面處理。
[0014] 本發(fā)明的另一技術(shù)方案是：
[0015] 所述醫(yī)用梯度復(fù)合材料在人工關(guān)節(jié)、脊柱融合材料和骨支撐修復(fù)材料方面的應(yīng) 用。
[0016] 與現(xiàn)有的骨植入材料相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0017] 1、具有優(yōu)良的力學(xué)性能、骨傳輸和骨誘導(dǎo)特性；
[0018] 2、顯著降低制備成本；
[0019] 3、性能優(yōu)異，結(jié)構(gòu)合理，可以滿足大多數(shù)骨填充、骨修復(fù)、骨移植應(yīng)用的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明內(nèi)部的梯度多孔結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022] 圖3是本發(fā)明的制備過程示意圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明的外觀形貌示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明為一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料，如圖1和圖4所示，其基體是通過金屬絲機(jī)械繞 制的多孔鈦、多孔鉭、多孔鋯、多孔不銹鋼等醫(yī)用材料，成分可以是單一種類的金屬絲編織 而成，也可以是多種不同種類的金屬絲復(fù)合編織而成的，基體多孔材料的制備可以通過控 制金屬絲絲徑或者編織技術(shù)來控制其孔徑大小和分布以及孔隙率大小，其結(jié)構(gòu)可以是三維 貫通的均勻多孔結(jié)構(gòu)，也可以是三維貫通的呈梯度變化的多孔結(jié)構(gòu)，如圖2所示。強(qiáng)化相材 料是鎂或鎂合金、鋅或鋅合金、鈦或鈦合金，鋯或鋯合金等比基體金屬絲熔點(diǎn)低的醫(yī)用金屬 材料，通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄等工藝方法將強(qiáng)化相金屬滲入到基體的多孔結(jié)構(gòu)中， 得到一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)需要通過化學(xué)腐蝕劑進(jìn)行選擇性腐蝕（腐蝕強(qiáng)化相，但不腐 蝕基體金屬絲），部分去除強(qiáng)化相，從而形成外部多孔、內(nèi)部實(shí)體梯度結(jié)構(gòu)的醫(yī)用梯度復(fù)合 材料，如圖3所示?；瘜W(xué)腐蝕劑可以根據(jù)基體材料與強(qiáng)化相材料的化學(xué)特性不同來選擇， 另外根據(jù)對梯度復(fù)合材料性能的需要決定強(qiáng)化相去除與否以及去除體積，強(qiáng)化相的去除體 積可以通過控制化學(xué)腐蝕時(shí)間來實(shí)現(xiàn)，以調(diào)節(jié)內(nèi)部實(shí)體結(jié)構(gòu)與外部多孔結(jié)構(gòu)的相對體積分 數(shù)，即各自體積所占比例，從而調(diào)控該醫(yī)用梯度復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、力學(xué)、物理等性能，滿足不 同情況下的使用要求。
[0025] 所述基體的金屬絲直徑在0.005臟-3111111之間，基體的孔隙率在10%-90%范 圍內(nèi)可調(diào)，強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)可在〇% -90%可調(diào)。所述梯度復(fù)合材料的孔隙率可以 在0%至90%范圍任意調(diào)控，抗壓強(qiáng)度范圍在5.010^-30010^，壓縮彈性模量范圍在 100MPa-120GPa。
[0026] 所述梯度復(fù)合材料在制備過程中可以添加 Ag、Ca、Sr等殺菌或利于成骨的有益元 素，制備以后可以進(jìn)行微弧氧化、陽極氧化等表面處理，以提高其骨傳輸和骨誘導(dǎo)特性。
[0027] 所述醫(yī)用梯度多孔復(fù)合材料能夠滿足大多數(shù)對強(qiáng)度要求較高的骨填充、骨修復(fù)、 骨移植的需要，例如各類人工關(guān)節(jié)（髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)等），脊柱融合材料、骨支撐修復(fù)材料等 方面的應(yīng)用。
[0028] 以下為本發(fā)明的實(shí)施例。
[0029] 實(shí)例 1
[0030] 采用醫(yī)用級的直徑為〇.4_的鈦絲，用機(jī)械繞制成設(shè)定形狀和設(shè)定孔隙率的多 孔鈦基體，其孔隙率為50% ;通過無壓浸滲技術(shù)將醫(yī)用高純Mg注入多孔鈦基體的孔隙內(nèi) 部，形成復(fù)合材料，再通過體積濃度為10%的鹽酸腐蝕，腐蝕時(shí)間為10分鐘，形成孔隙率 為30 %的梯度多孔鈦鎂復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度是120MPa，彈性模量達(dá)到 6GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0031] 實(shí)例 2
[0032] 采用醫(yī)用級的直徑為0. 1mm的鉭絲，用機(jī)械繞制成設(shè)定形狀和設(shè)定孔隙率的多 孔鉭基體，其孔隙率為90%，通過吸鑄技術(shù)，將醫(yī)用鈦合金注入多孔鉭基體的孔隙內(nèi)部， 形成復(fù)合材料，再通過體積濃度為40 %的硫酸化學(xué)腐蝕，腐蝕時(shí)間為30分鐘，形成孔隙率 為70 %的梯度多孔鉭鈦復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為220MPa，其彈性模量為 40GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0033] 實(shí)例 3
[0034] 采用醫(yī)用級的锫絲，其內(nèi)部锫絲直徑為0. 05mm，外部锫絲直徑是1mm，用機(jī)械繞制 成內(nèi)部孔徑小，外部孔徑大的梯度多孔鈦基體，通過無壓浸滲技術(shù)將醫(yī)用Mg-RE合金注入 多孔鈦基體的孔隙中，形成梯度復(fù)合材料，再通過體積濃度為20%的稀硝酸化學(xué)腐蝕，腐蝕 時(shí)間為5分鐘，形成孔隙率為10%的梯度多孔鈦鎂合金復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料的抗壓 強(qiáng)度為160MPa，其彈性模量為15GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0035] 實(shí)例 4
[0036] 采用醫(yī)用級的直徑為3mm的鉭絲，用機(jī)械繞制成設(shè)定形狀和設(shè)定孔隙率的多孔 鉭，其孔隙率為40% ;通過吸鑄技術(shù)，將醫(yī)用鋯合金注入多孔鉭基體的孔隙內(nèi)部，形成復(fù) 合材料，再通過體積濃度為80 %的硫酸進(jìn)行化學(xué)腐蝕，腐蝕時(shí)間為15分鐘，形成孔隙率 為20 %的梯度多孔鉭鋯復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為300MPa，其彈性模量為 120GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0037] 實(shí)例 5
[0038] 采用醫(yī)用級的直徑為1. 8mm的316L不銹鋼絲，用機(jī)械繞制成設(shè)定形狀和設(shè)定孔隙 率的多孔不銹鋼，其孔隙率為10%，通過壓力鑄滲技術(shù)將鋅合金注入多孔不銹鋼基體的孔 隙內(nèi)部，形成復(fù)合材料，再通過體積濃度為10%稀硫酸化學(xué)腐蝕，腐蝕時(shí)間為3分鐘，形成 孔隙率為5%的梯度多孔不銹鋼-鋅復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為60MPa，彈性 模量為3GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0039] 實(shí)例 6
[0040] 采用醫(yī)用級的直徑為0· 005mm的鈦絲和直徑為3mm的鋯絲混合編織成心部孔徑 小，外部孔徑大的梯度多孔鈦鋯基體，其孔隙率為90%，通過無壓浸滲技術(shù)將鋅合金滲入該 多孔鈦鋯基體的孔隙中，形成孔隙率為0%的梯度鈦鋯一鋅合金復(fù)合材料，該梯度復(fù)合材料 的抗壓強(qiáng)度為140MPa，彈性模量為33GPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0041] 實(shí)例 7
[0042] 采用醫(yī)用級的直徑為0. 01mm的鈦絲、0. 08mm的锫絲、0. 5mm的鉭絲和1. 5mm的不 銹鋼絲編織成從內(nèi)到外依次是鈦、鋯、鉭、不銹鋼的梯度多孔結(jié)構(gòu)基體，各層多孔材料的孔 隙率分別為40 %、60 %、70 %和90 %，整體的孔隙率為68 %，將鎂鈣合金通過吸鑄的方法 滲入該基體多孔結(jié)構(gòu)中，形成結(jié)構(gòu)-成分梯度的復(fù)合材料，再用體積濃度為7%鹽酸進(jìn)行腐 蝕，腐蝕時(shí)間為20分鐘，得到孔隙率為40%的梯度復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度為245MPa，彈性模 量為lOOGPa，適用于對骨要求較高的骨修復(fù)場合。
[0043] 實(shí)例 8
[0044] 采用醫(yī)用級的直徑為0. 006mm的鈦絲編織成內(nèi)部孔隙率為10%、外部孔隙率為 90%的梯度多孔材料，其整體的孔隙率為70%，將鎂鋅合金注入該基體多孔材料中，形成復(fù) 合材料，再通過體積濃度為15%稀硫酸腐蝕，腐蝕時(shí)間為45分鐘，得到孔隙率為50%的梯 度多孔鈦一鎂鋅合金復(fù)合材料，其抗壓強(qiáng)度為5MPa，彈性模量為lOOMPa，適用于對骨要求 較高的骨修復(fù)場合。
【權(quán)利要求】
1. 一種醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述梯度復(fù)合材料包括具有均勻的多孔結(jié)構(gòu) 或呈梯度變化的多孔結(jié)構(gòu)的基體和滲入該基體的強(qiáng)化相，所述基體由醫(yī)用的金屬絲編織而 成，所述強(qiáng)化相為熔點(diǎn)比該金屬絲的熔點(diǎn)低的金屬，其通過壓力鑄滲、無壓浸滲或吸鑄工藝 滲入所述基體的多孔結(jié)構(gòu)中，然后用化學(xué)腐蝕劑進(jìn)行選擇性腐蝕部分去除該強(qiáng)化相，形成 內(nèi)部實(shí)體而外部多孔的醫(yī)用梯度復(fù)合材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：通過改變所述金屬絲的絲 徑或者編織方法控制所述基體的孔徑和孔隙率，該基體的孔隙率在10% -90%范圍內(nèi)可 調(diào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的金屬絲為醫(yī)用 鈦絲、鉭絲、锫絲或不銹鋼絲，直徑為0. 005mm -3謹(jǐn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的強(qiáng)化相為鎂、鎂合 金、鈦、鈦合金、锫、锫合金、鋅或鋅合金。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：通過控制腐蝕時(shí)間來調(diào)節(jié) 強(qiáng)化相的去除體積，調(diào)控所述基體與強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)，以調(diào)控所述醫(yī)用梯度復(fù)合材料的 結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，滿足不同情況下的使用要求。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的腐蝕時(shí)間為3-45分 鐘，所述的強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)在〇% -90%范圍內(nèi)可調(diào)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的化學(xué)腐蝕劑為鹽酸、 硫酸、稀硫酸或稀硝酸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的梯度復(fù)合材料 的孔隙率范圍為〇%至90%，抗壓強(qiáng)度范圍為5. 0MPa-300MPa，壓縮彈性模量范圍為 100MPa-120GPa。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用梯度復(fù)合材料，其特征在于：所述的梯度復(fù)合材料在制 備過程中添加Ag、Ca或Sr元素，制備完成后進(jìn)行微弧氧化或陽極氧化表面處理。
10. -種權(quán)利要求1所述醫(yī)用梯度復(fù)合材料在人工關(guān)節(jié)、脊柱融合材料和骨支撐修復(fù) 材料方面的應(yīng)用。
【文檔編號】A61L27/56GK104096267SQ201410325163
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】何國, 江國鋒 申請人:上海交通大學(xué)