可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙复合材料的制备方法

摘要

本发明公开一种可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙复合材料的制备方法，其步骤如下：(1)制备多孔磷酸三钙坯体：采用有机泡沫浸渍法制备多孔磷酸三钙坯体；(2)渗入镁或镁合金：采用熔体浸渗法将镁或镁合金渗入到多孔磷酸三钙坯体中，制得镁或镁合金与磷酸三钙复合材料。本发明的有益效果：制得的复合材料均有很好的连通度，骨诱导性能和降解性能具有良好保证，可用作硬组织替换或骨修复的材料，植入体内后一定时间后，能够完全降解，并诱导新骨的形成；生产工艺比较简单，不需要特殊设备，生产成本低；适用于制备不同性能的生物降解复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及可生物降解的复合材料的制备方法，具体涉及可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙复合材料的制备方法。

背景技术

镁是人体必需的常量元素之一，成人每人每日需要量超过350mg；它参与体内一系列的新陈代谢过程，包括骨细胞的形成、加速骨损伤的愈合，等等。用镁或者镁合金作硬组织植入材料，可以不考虑其微量金属离子对细胞的毒性，而且镁或者镁合的弹性模量较低(约45GPa)；因此，利用镁或者镁合开发金属植入材料可以解决目前临床广泛应用的不锈钢、钛合金、钴铬合金等惰性金属材料植入体存在的应力遮挡、有害元素溶出等问题。此外，镁或者镁合具有可在生理环境中腐蚀降解的特点，在植入人体后随着人体的自愈合而被降解吸收或排出，从而无需进行二次手术取出，为可降解的金属硬组织替代材料展示了一个诱人的前景。然而，目前研究表明，可用的镁合金在人体环境(pH约7.4-7.6，高氯)中腐蚀过快，容易在局部产生过量的氢气及高的pH值，从而影响材料的生物相容性及力学性能。由此可见，控制镁合金的降解速度是改善镁合金性能的首要目标，其方法主要有合金化、复合化和表面改性。

磷酸三钙(TCP)成分与骨组织相似，具有良好的生物相容性、容易生物降解吸收、具有骨诱导性以及无毒副作用，被视为优良的骨替代材料。众多的动物体内实验和临床应用也表明：该材料无毒性，无局部刺激性，不致溶血或凝血，不致突变或癌变。但是其疲劳强度低，脆性大，抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨的要求。

将具有良好生物相容性的镁或镁合金与磷酸三钙制备成复合材料，可以利用二者的优点，满足骨诱导和可控生物降解的要求。目前，已经有人采用传统粉末冶金的混合、压制、烧结技术制备了镁/磷酸三钙、镁/羟基磷灰石生物降解复合材料(中国专利，公开号CN101524558A、CN101524559A、CN101347639A)。但是，采用的传统粉末冶金方法，在烧结时，粉末状的原材料容易发生严重氧化，从而影响其性能的发挥。

发明内容

本发明的目的是提供一种可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙复合材料的制备方法，该方法能避免原材料在烧结时容易发生严重氧化的现象，能更有效地保证磷酸三钙的生物相容性、更好地发挥磷酸三钙的骨诱导性，并且工艺简便易行，生产成本较低。

本发明所述的可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙复合材料的制备方法，其步骤如下：

(1)制备多孔磷酸三钙坯体：采用有机泡沫浸渍法制备多孔磷酸三钙坯体；

a、预处理聚氨酯海绵，先将聚氨酯海绵切割成型，再将其浸泡于重量百分比为30％～40％的NaOH溶液中，在60℃下浸泡2～4h，然后，用清水洗净，晾干备用；

b、配制聚乙烯醇(PVA)溶液，将聚乙烯醇和去离子水按质量比1∶10的比例加入溶解釜中，边搅拌边升温至95℃，并保温至PVA完全溶解于去离子水中，得到浓度为0.1g/ml的PVA溶液；

c、制备磷酸三钙浆料，将磷酸三钙粉末与浓度为0.1g/ml的PVA溶液在陶瓷罐中混合，两者的比例为每100ml的PVA溶液中加入50～70g磷酸三钙粉末；再按PVA溶液体积的五分之一加入无水乙醇于陶瓷罐中，以消除泡沫；然后，加入陶瓷球作研磨体，按陶瓷球∶磷酸三钙粉末的质量比10∶1的比例加入，球磨3-8小时，制得混合均匀的磷酸三钙浆料；

d、浸浆煅烧，将预处理过的聚氨酯海绵浸入磷酸三钙浆料中，浸泡24小时后，取出并挤掉多余浆料，再进行干燥处理，然后，将其置于管式炉中，在1150℃煅烧4～6小时，制得多孔磷酸三钙坯体；

e、测定孔隙率，先用千分尺测出多孔磷酸三钙坯体的尺寸，并以此计算出其体积V，再在天平上称其重量M₁，最后按下式计算出孔隙率θ：

$\theta =(1-\frac{M_1}{V\times {\rho }_1})\times 100\%---\left(1\right)$

式中，V为多孔磷酸三钙体积，ρ₁为磷酸三钙的理论密度3.18g/cm³；

(2)渗入镁或镁合金：采用熔体浸渗法将镁或镁合金渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、根据多孔磷酸三钙坯体的孔隙率和拟熔渗的镁或镁合金的密度计算出所需的镁或镁合金的重量，为了制得高度致密的复合材料，实际应取过量10～20％的块状的镁或镁合金，因此，熔渗用镁或镁合金重量M2计算公式为：

M₂＝V×θ×ρ₂×(1.1～1.2)                                (2)

式中，V为多孔磷酸三钙体积；θ为孔隙率；ρ₂为镁或镁合金在熔渗温度下的密度，实际计算时，可直接取室温下纯镁的密度1.74g/cm³；

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，并将镁或镁合金块放在多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住；

表1试验用覆盖剂成分(重量％)

c、将盛有多孔磷酸三钙坯体和镁或镁合金坯块的刚玉坩埚置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至700～800℃，保温熔渗1-8小时，使金属镁或镁合金充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后，切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，即制得镁或镁合金与磷酸三钙复合材料。

本发明采用熔体浸渗法实现纯镁或镁合金与磷酸三钙的复合，即通过在多孔磷酸三钙的连通孔隙中渗入镁或镁合金，保证了镁与磷酸三钙各自的相互连通性，使材料的生物降解性与骨诱导性更好地协调，因此本法制备出的复合材料更有利于骨组织的替换。本发明通过调整多孔磷酸三钙的孔隙率控制复合材料中镁或镁合金与磷酸三钙的百分含量，达到控制材料降解速率以及获得适宜力学性能的目的。采用本发明的工艺制备出的复合材料，金属镁或镁合金不与磷酸三钙发生有害的界面反应，而且镁或镁合金与磷酸三钙之间的界面结合强度较高。本发明制备的磷酸三钙增强镁基复合材料可更好地满足骨组织工程支架、骨内固定紧固件等医疗应用领域对材料综合力学性能和生物学性能的要求，特别适合于骨组织的替换和修复。

本发明的有益效果：制得的复合材料中磷酸三钙和镁(镁合金)均有很好的连通度，骨诱导性能和降解性能具有良好保证，可用作硬组织替换或骨修复的材料，植入体内后一定时间后，能够完全降解，并诱导新骨的形成；生产工艺比较简单，不需要特殊设备，具有生产成本低的优点；适用于将镁及多种镁合金向多孔磷酸三钙烧结体中熔渗以制备不同性能的生物降解复合材料。

具体实施方式

实施例一：制备可生物降解的镁与磷酸三钙复合材料，其步骤如下：

(1)制备多孔磷酸三钙坯体：采用有机泡沫浸渍法制备多孔磷酸三钙坯体；

a、预处理聚氨酯海绵，先将聚氨酯海绵切割成2cm×2cm×1cm的型体，再将其浸泡于重量百分比为35％的NaOH溶液中，在60℃下浸泡2h，然后，用清水洗净，晾干备用；

b、配制聚乙烯醇(PVA)溶液，先将聚乙烯醇∶去离子水按质量1∶10的比例加入溶解釜中，边搅拌边升温至95℃，并保温至聚乙烯醇完全溶解于去离子水中，得到浓度为0.1g/ml的PVA溶液；

c、制备磷酸三钙浆料，将磷酸三钙粉末与浓度为0.1g/ml的PVA溶液在陶瓷罐中混合，两者的比例为100ml的聚乙烯醇溶液中加入50g磷酸三钙粉末；再按聚乙烯醇溶液体积的五分之一(20ml)加入无水乙醇于陶瓷罐中，以消除泡沫；然后，加入陶瓷球作研磨体，按陶瓷球∶磷酸三钙粉末的质量比10∶1的比例加入，球磨3小时，制得磷酸三钙浆料；

d、浸浆煅烧，将预处理过的聚氨酯海绵浸入磷酸三钙浆料中，浸泡24小时后，取出并挤掉多余浆料，再进行干燥处理，然后，将其置于管式炉中，在1150℃煅烧4小时，制得具有连通三维孔洞结构的多孔磷酸三钙坯体；

e、测定孔隙率，先用千分尺测出多孔坯体的尺寸(2cm×2cm×1cm)，并以此计算出试样的体积V为4cm³，再在天平上称得多孔磷酸三钙坯体的质量M为1.78g，按以下公式

$\theta =(1-\frac{M_1}{V\times {\rho }_1})\times 100\%$

计算出孔隙率θ＝86％。

(2)渗入镁：采用熔体浸渗法将纯镁(纯度≥99.95％)渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、根据多孔磷酸三钙坯体的孔隙率和拟熔渗的镁的密度计算出所需的镁的质量，并且为了制得高度致密的复合材料，称取过量20％的块状纯镁，因此，所需纯镁的重量M按式(2)计算如下：

M＝4cm³×86％×1.74g/cm³×1.2≈7.2g

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，并将7.2g纯镁块置于多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住，置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至700℃，保温熔渗1小时，使金属镁充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后，切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，得到相对密度(真实密度/理论密度)为98.4％的镁/磷酸三钙复合材料。

将此镁/磷酸三钙复合材料置于化学组成与人体体液基本相同的模拟体液(成分见表2)中浸泡30天后，检测发现材料表层有羟基磷灰石的沉积。

表2实验用模拟体液配比(g/L)

实施例二：制备可生物降解的镁钙合金与磷酸三钙复合材料，其步骤如下：

(1)按实施例一相同方法制备孔隙率为86％的多孔磷酸三钙坯体；

(2)渗入Mg-1.0Ca合金：采用熔体浸渗法将Mg-1.0Ca合金(即Ca重量百分比约为1.0％，其余为Mg的合金)渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、根据多孔磷酸三钙坯体的孔隙率和拟熔渗的Mg-1.0Ca合金的密度计算出所需合金的质量，并且为了制得高度致密的复合材料，应称取过量10％的Mg-1.0Ca合金，因此，所需Mg-1.0Ca合金的重量M按式(2)计算如下：

M＝4cm³×86％×1.74g/cm³×1.1≈6.6g

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，并将称好的Mg-1.0Ca合金6.6g置于多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住，置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至730℃，保温熔渗2小时，使Mg-1.0Ca合金充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后，切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，得到相对密度(真实密度/理论密度)为98.5％的Mg-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料。

将此Mg-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料置于化学组成与人体体液基本相同的模拟体液(成分见表2)中浸泡30天后，检测发现材料表层有羟基磷灰石的沉积。

实施例三：制备可生物降解的Mg-Zn-Mn合金与磷酸三钙复合材料，其步骤如下：

(1)制备多孔磷酸三钙坯体：采用有机泡沫浸渍法制备多孔磷酸三钙坯体；

a、预处理聚氨酯海绵，与实施例一不同的是：聚氨酯海绵为Φ50×20mm³的型体，于重量百分比为35％的NaOH溶液中，在60℃下浸泡时间为3h；

b、按实施例一相同方法配制聚乙烯醇(PVA)溶液；

c、制备磷酸三钙浆料，与实施例一不同的是：磷酸三钙粉末与PVA溶液的混合比例为在100ml的PVA溶液中加入70g磷酸三钙粉末，再加入20ml无水乙醇，经球磨混合，制得具有较好流动性的磷酸三钙浆料；

d、制备多孔磷酸三钙坯体，与实施例一不同的是：多孔体烧结制度为1150℃煅烧5小时，制得具有连通三维孔洞结构的多孔磷酸三钙坯体；

e、测定多孔磷酸三钙坯体的孔隙率，先用千分尺测出多孔坯体尺寸(Φ50×20mm³)，并以此计算出试样的体积V约为40cm³，再在天平上称得试样的质量M为33g，按式(1)计算出孔隙率θ＝74％。

(2)渗入Mg-6.0Zn-1.0Mn合金：采用熔体浸渗法将Mg-6.0Zn-1.0Mn合金(即Zn重量百分比约为6.0％，Mn约为1.0％，其余为Mg的合金)渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、为了制得高度致密的复合材料，应称取过量10％的Mg-6.0Zn-1.0Mn合金，因此，所需的合金质量M按式(2)计算如下：

M＝40cm³×74％×1.74g/cm³×1.1≈57g

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，将称好的Mg-6.0Zn-1.0Mn合金57g置于多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住，置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至730℃，保温熔渗6小时，使Mg-6.0Zn-1.0Mn合金充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，得到相对密度(真实密度/理论密度)为98.5％的Mg-6.0Zn-1.0Mn合金/磷酸三钙复合材料。

将此Mg-6.0Zn-1.0Mn合金/磷酸三钙复合材料置于化学组成与人体体液基本相同的模拟体液(成分见表2)中浸泡30天后，检测发现材料表层有羟基磷灰石的沉积。

实施例四：制备可生物降解的镁钙合金与磷酸三钙复合材料，其步骤如下：

(1)制备多孔磷酸三钙坯体：采用有机泡沫浸渍法制备多孔磷酸三钙坯体；

a、预处理聚氨酯海绵，与实施例一不同的是：聚氨酯海绵为5cm×5cm×2cm的型体，于重量百分比为35％的NaOH溶液中，在60℃下浸泡时间为4h；

b、按实施例一相同方法配制聚乙烯醇(PVA)溶液；

c、按实施例一相同方法制备磷酸三钙浆料；

d、制备多孔磷酸三钙坯体，与实施例一不同的是：多孔体烧结制度为1150℃煅烧6小时，制得具有连通三维孔洞结构的多孔磷酸三钙坯体；

e、测定多孔磷酸三钙坯体的孔隙率，先用千分尺测出多孔坯体尺寸(5cm×5cm×2cm)，并以此计算出试样的体积V为50cm³，再在天平上称得试样的质量M为35g，按式(1)计算出孔隙率θ＝78％。

(2)渗入Mg-1.0Ca合金：采用熔体浸渗法将Mg-1.0Ca合金(即Ca重量百分比约为1.0％，其余为Mg的合金)渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、根据多孔磷酸三钙坯体的孔隙率和拟熔渗的Mg-1.0Ca合金的密度计算出所需合金的质量，并且为了制得高度致密的复合材料，应称取过量15％的Mg-1.0Ca合金，因此，所需的合金质量M按式(2)计算如下：

M＝50cm³×78％×1.74g/cm³×1.15≈78g

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，将称好的Mg-1.0Ca合金78g置于多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住，置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至730℃，保温熔渗4小时，使Mg-1.0Ca合金充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后，切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，得到相对密度(真实密度/理论密度)为96.7％的Mg-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料。

将此Mg-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料置于化学组成与人体体液基本相同的模拟体液(成分见表2)中浸泡30天后，检测发现材料表层有羟基磷灰石的沉积。

实施例五：制备可生物降解的Mg-2.0Zn-1.0Ca合金与磷酸三钙复合材料，其步骤如下：

(1)按实施例四相同方法制备多孔磷酸三钙坯体；

(2)渗入Mg-2.0Zn-1.0Ca合金：采用熔体浸渗法将Mg-2.0Zn-1.0Ca合金(即Zn重量百分比约为2.0％，Ca约为1.0％，其余为Mg的合金)渗入到多孔磷酸三钙坯体中，其方法是：

a、根据多孔磷酸三钙坯体的孔隙率和拟熔渗的Mg-2.0Zn-1.0Ca合金的密度计算出所需的合金的质量，并且为了制得高度致密的复合材料，称取过量15％的块状Mg-2.0Zn-1.0Ca合金，因此，所需合金质量M按式(2)计算如下：

M＝50cm³×78％×1.74g/cm³×1.15≈78g

b、将多孔磷酸三钙坯体置于刚玉坩埚中，将称好的Mg-2.0Zn-1.0Ca合金78g置于多孔磷酸三钙坯体的上部，用覆盖剂(成分见表1)覆盖住，置于管式气氛炉中，通入高纯氩气(纯度99.999％)保护，加热至760℃，保温熔渗8小时，使Mg-2.0Zn-1.0Ca合金充分渗入到多孔磷酸三钙坯体的孔隙中，然后，切断电源但保持通气，随炉冷却至100℃以下，关闭氩气并出炉，得到相对密度(真实密度/理论密度)为97.8％的Mg-2.0Zn-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料。

将此Mg-2.0Zn-1.0Ca合金/磷酸三钙复合材料置于化学组成与人体体液基本相同的模拟体液(成分见表2)中浸泡30天后，检测发现材料表层有羟基磷灰石的沉积。

结论：本发明提供的熔渗方法制备的镁/磷酸三钙复合材料具有工艺简单、材料致密度高、生物相容性好等优点，在模拟生理环境中能够诱导自然骨矿物成分羟基磷灰石的沉积。