專利名稱：一種全降解心血管支架用鐵基復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種全降解心血管支架用鐵基復合材料及其制備方法。
背景技術：
目前臨床上應用的心血管支架材料以金屬材料為主，包括316L不銹鋼、Ti和Ni-Ti合金、Co-Cr合金、Pt-Ir合金以及金屬Ta等。但是，這些支架材料全部是生物惰性材料并且在生物體內不可降解，植入人體后會作為異物長期存在于體內，有血管再狹窄、晚期血栓發生的風險，同時需要進行長期的抗血小板治療。鑒于以上原因，開發生物可降解的心血管支架材料是心血管支架的發展趨勢。國內外關于可降解心血管支架材料的研究集中在鎂合金以及純鐵上。但鎂合金存在一些缺點，如同316L不銹鋼相比，鎂合金的力學性能較差，提供的徑向支撐力可能不足；另一方面，鎂合金在體液環境中腐蝕速率過快，有可能在血管重塑之前支架就發生腐蝕破碎，造成支架植入失敗。從生物相容性的角度來看，鐵元素是人體重要的微量元素，成人體內鐵元素含量約為4-5g，其中70%與血紅蛋白結合。鐵具有重要的生理功能，在許多的生物化學反應中起著重要重要作用，如氧氣感應和傳輸、電子轉移、催化等。純鐵在體液環境中能夠發生腐蝕，有望成為新一代的可降解心血管支架材料。早期的動物實驗研究也證實了純鐵具有良好的生物相容性以及作為心血管支架材料的可行性。但是純鐵作為心血管支架材料還存在著一些問題，主要是純鐵的力學性能較316L稍差，需要進一步提高其力學性能；另外純鐵在體液環境中腐蝕速率較慢，在含有Cl—的體液環境中易發生點蝕，引起支架局部失去力學強度而破裂,造成植入失敗。因此,對于純鐵作為心血管支架材料,需要加快其腐蝕速率同時使純鐵在體液環境中的腐蝕更均勻。從材料學角度，改善純鐵腐蝕速率和腐蝕方式的方法主要有兩種一是通過添加一些非貴金屬的合金化元素使鐵基體更容易發生腐蝕，但研究證實此種方法對加快純鐵的腐蝕速率效果并不理想；另一種是通過添加貴金屬合金化元素形成細小均勻分散的金屬中間相，作為陽極與鐵基體形成電偶腐蝕，起到加速腐蝕的作用，但采用傳統的鑄造技術，金屬中間相的形成和均勻分布難以控制。采用復合化的方法，不僅能夠得到均勻分散的貴金屬相，加速鐵基體的腐蝕，同時宏觀上看能夠使鐵基體的腐蝕更加均勻，而且由于二次相的增強作用可以進一步提高鐵基材料的力學性能。鎢是除碳之外熔點最高的元素，比純鐵的標準電極電位要高。由于其較好的輻射不透過性和致血栓性，純鎢機械可脫性微彈簧圈被用于介入手術治療腦動脈瘤以及其他血管瘤。研究結果證實，由于鎢彈簧圈的植入，雖然患者體內血清中鎢離子濃度增加，但并沒有引起局部或系統毒性。血管平滑肌細胞、內皮細胞和纖維原細胞在純鎢彈簧圈表面都表現出較高的細胞活性，溶液中鎢離子濃度的增大并沒有對細胞活性產生明顯的影響。而且只有當溶液中的鎢離子濃度高于50μ g/ml時才能引起血管平滑肌細胞、內皮細胞和纖維原細胞的毒性反應。這些證實了鎢具有良好的生物相容性。
氧化鐵是一種磁性材料，在靶向傳輸、細胞標識等生物醫學領域有著廣泛的應用，早期的研究證實了氧化鐵具有良好的生物相容性。此外，氧化鐵是純鐵的降解產物之一。硫化亞鐵也是一種鐵的化合物，沒有細胞毒性。碳納米管是一種新型的碳材料，具有特殊的納米結構和優異的物理化學性能，如低密度、高強度、良好的電導性和溫度傳導性能，成 為生物醫學應用領域一個新的研究熱點。碳納米管作為高分子復合材料的增強體，可以提高高分子材料的強度，也能改進基體材料的細胞相容性。經過表面修飾的碳納米管作為組織工程支架能為細胞生長和組織再生提供誘導和支持。此外，碳納米管在氣體傳感器及生物分子的電化學分析方面也有著廣泛的應用研究。
發明內容
本發明的目的是提供一種全降解心血管支架用鐵基復合材料及其制備方法，該鐵基復合材料具有良好的生物相容性、適宜的腐蝕速率，且能夠滿足心血管支架材料的力學性能要求。本發明提供的一種全降解心血管支架用鐵基復合材料，包括Fe和W ;以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，W的含量為(Γ10%，但不為零，該鐵基復合材料的具體組成可為由質量百分含量為2°/Γ5%的W和余量的Fe組成，具體可為98%的Fe和2%的W以及95%的Fe和5%的W。本發明提供的另一種全降解心血管支架用鐵基復合材料，包括Fe和Fe2O3 ；以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，Fe2O3的含量為(Γ10%，但不為零，該鐵基復合材料的具體組成可為由質量百分含量為29Γ5%的Fe2O3和余量的Fe組成，具體可為98% 的 Fe 和 2% 的 Fe2O3 以及 95% 的 Fe 和 5% 的 Fe203。本發明提供的再一種全降解心血管支架用鐵基復合材料，包括Fe和FeS ；以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，FeS的含量為(Γ10%，但不為零，該鐵基復合材料的具體組成可為由質量百分含量為2°/Γ5%的FeS和余量的Fe組成，具體可為98%的Fe和2%的FeS以及95%的Fe和5%的FeS。本發明提供的再一種全降解心血管支架用鐵基復合材料，包括Fe和碳納米管；以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，碳納米管的含量為(Γ5%，但不為零，該鐵基復合材料的具體組成可為由質量百分含量為O. 59Tl%的碳納米管和余量的Fe組成，具體可為99. 5%的Fe和O. 5%的碳納米管以及99%的Fe和1%的碳納米管。上述的鐵基復合材料中，所述鐵基復合材料還可能包括微量元素,所述微量元素為錳、鉻、鈷和鎳中至少一種；所述鐵基復合材料中，所述微量元素的質量百分含量為(Γ2%，但不為零；所述猛、鉻、鈷和鎳的含量均不大于I. 5%。上述的鐵基復合材料中，所述鐵基復合材料的表面還涂覆有可降解高分子載藥涂層；所述可降解高分子載藥涂層中的高分子材料為聚羥基乙酸(PGA)、聚乳酸(PLA)、L-聚乳酸(PLLA)、聚己酸內酯(PCL)、聚氰基丙烯酸酯(PACA)、聚對二氧雜環己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸類聚合物、聚β_羥基丁酸酯和羥基戊酸酯及其共聚物中的一種或多種的任意組合；所述可降解高分子載藥涂層中的藥物為免疫抑制劑(如雷帕霉素)或抗癌藥物(如紫杉醇);所述可降解高分子載藥涂層的厚度可為5 50 μ m。本發明提供了上述鐵基復合材料的制備方法，包括如下步驟將鐵粉與鎢粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳納米管粉末中任一種進行混合，然后經放電等離子體燒結或粉末冶金進行燒結，經冷卻即得到鐵基復合材料。上述的制備方法中，所述鐵粉、鎢粉、Fe2O3和FeS粉末的粒徑可為100ηπΓ200 μ m,如IOOnnTlOO μ m,所述碳納米管的直徑可為I IOOnm,如10 30nm,長度可為I 20 μ m,如I 10 μ m。 上述的制備方法中，所述放電等離子體燒結的壓力可為2(T40MPa，溫度可為75(Tl000°C，時間可為3 lOmin，如在40MPa和950°C的條件下燒結5min。上述的制備方法中，所述粉末冶金的溫度可為80(Tl40(rC，時間可為5 10h。上述的制備方法中，所述方法還包括向所述鐵基復合材料的表面涂覆所述可降解高分子載藥涂層的步驟；通過提拉法或勻膠法涂覆所述可降解高分子載藥涂層；所述提拉法涂覆可降解高分子載藥涂層的步驟為首先將所述復合材料進行酸洗，然后在三氯乙烷等有機溶劑中溶解所述高分子材料和藥物，然后將所述復合材料在所述高分子材料和藥物中浸涂后勻速拉出進行離心處理，得到涂覆可降解高分子載藥涂層的心血管支架。所述勻膠法涂覆可降解高分子載藥涂層的步驟為首先將所述復合材料進行酸洗，然后在三氯乙烷等有機溶劑中溶解所述高分子材料和藥物，將所述高分子材料和藥物膠體滴在復合材料表面，利用勻膠機高速旋轉使膠體鋪展到復合材料上形成薄層，干燥以去除多余溶劑，多次涂覆以達到最佳效果。本發明還提供了上述鐵基復合材料在制備醫用植入體中的應用，所述醫用植入體具體可為心血管支架。本發明具有如下的優點及有益效果本發明提供的全降解心血管支架用鐵基復合材料，避免了傳統的惰性金屬支架存在的晚期血栓、支架再狹窄等問題。選用對人體無害的二次相作為復合材料的增強相，一方面提高了鐵基體在體液環境中的腐蝕速率，使鐵基體的腐蝕更均勻；另一方面，二次相的加入也提高了鐵基復合材料的力學強度，更能滿足心血管支架的要求。
圖I為實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料以及鑄造純鐵、SPS燒結純鐵的金相顯微組織以及Fe-2Fe203復合材料中二次相和基體的EDS分析。圖2為實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料和純鐵的室溫壓縮性能。圖3為在實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料以及鑄造純鐵、SPS燒結純鐵浸提液中培養1、2和4天后VSMC和ECV304的細胞存活率，其中，圖3 (a)和圖3 (b)分別為VSMC和ECV304的細胞存活率。
圖4為實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料以及鑄造純鐵、SPS燒結純鐵的溶血率。
具體實施例方式下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。下述實施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業途徑得到。實施例I、制備Fe-W/Fe203/FeS復合材料采用純Fe 粉(99.9wt.%，粒徑為 IOOnnTlOO μ m)、W 粉(99. 8%，粒徑為IOOnnTlOO μ m)、Fe2O3 粉(99. 0%，粒徑為 IOOnnTlOO μ m)和 FeS 粉(99.0%，粒徑為IOOnnTlOO μ m)作為試驗原料，分別按照二次相X含量(質量)為2%和5%配制。 經過研缽手動混合之后在混料儀中以2000rpm的轉速混合5min。將混合粉末置于石墨模具中，在真空環境下，采用放電等離子體燒結技術在40MPa壓力下950°C燒結，保溫時間5min，然后冷卻至室溫即得到鐵基復合材料分別即為Fe-2W、Fe_5W、Fe_2Fe203、Fe_5Fe203、Fe_2FeS 和 Fe_5FeS。本實施例制備的鐵基復合材料的金相顯微組織如圖I所示,其中，Fe-2Fe203中的二次相Fe2O3的和基體Fe的EDS譜圖也如圖I中所示，分別為圖I (A)和圖(B)，圖I中還示出了鑄造純鐵和SPS燒結純鐵(其燒結工藝條件同本實施例中的條件)的金相顯微組織。由該圖可得知，采用SPS方法燒結的純鐵晶粒尺寸較鑄造純鐵明顯減小，W、Fe203> FeS等二次相在鐵基體中均勻分布，大部分分布在晶界上，小部分分布在晶粒內部，并且二次相的加入在一定程度上減小了鐵基體的晶粒尺寸。實施例2、制備Fe-CNT復合材料采用純Fe粉末和CNT粉末(直徑為l(T30nm，長度為1 10 μ m)為原料，按照添加相含量分別為O. 5%和1%的比例，以乙醇作為分散劑，用直徑5mm的不銹鋼球在80r/min的轉速下球磨混合8h后烘干，然后采用同實施例I中相同的放電等離子體燒結參數進行燒結，得到Fe-CNT的復合材料試樣。本實施例制備的Fe-CNT復合材料的金相顯微組織如圖I所示，由該圖可得知，采用球磨混合并燒結后CNT在鐵基體中均勻分布，CNT的加入也明顯減小了鐵基體的晶粒尺寸。實施例3、鐵基復合材料的室溫壓縮性能將實施例I和實施例2制備的復合材料按照壓縮測試標準GB/T 7314-2005制備壓縮試樣進行壓縮性能測試，試樣尺寸為Φ2Χ 5mm，壓縮應變速度為2X10_4/s，由于材料為塑性材料，壓縮強度取壓縮應變為40%時的應力值。采用實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料的壓縮力學性能如圖2所示，以鑄造(As-cast)純鐵和放電等離子體燒結(SPS)的純鐵作對比。實施例4、鐵基復合材料的抗腐蝕性能將實施例I和2制得的復合材料線切割成IOX 10 X 2mm3的塊狀試樣，打磨拋光至2000#砂紙。然后在溫度為37°C的Hank’ s模擬體液中進行電化學測試和浸泡實驗檢測材料的腐蝕速率，以純鐵作為對比。采用實施例I和實施例2制備的鐵基復合材料的電化學參數和采用兩種檢測手段計算得到的腐蝕速率如表I所示，由表I中的數據可以看出，電化學測試結果顯示采用SPS燒結的純鐵的腐蝕速率較鑄造純鐵快，同時第二相成分的加入顯著提高鐵基材料的腐蝕速率，第二相含量越高，鐵基材料的腐蝕速率越快。而浸泡測試結果表明
權利要求
1.一種鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料包括Fe和W ; 以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，w的含量為(Γιο%，但不為零。
2.一種鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料包括Fe和Fe2O3 ； 以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，Fe2O3的含量為(Γ10%，但不為零。
3.—種全鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料包括Fe和FeS ； 以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，FeS的含量為(Γ10%，但不為零。
4.一種鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料包括Fe和碳納米管； 以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，碳納米管的含量為(Γ5%，但不為零，碳納米管直徑為I lOOnm，長度為I 20 μ m。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料還包括微量元素，所述微量元素為猛、鉻、鈷和鎳中至少一種； 所述鐵基復合材料中，所述微量元素的質量百分含量為(Γ2%，但不為零； 所述錳、鉻、鈷和鎳的含量均不大于I. 5%。
6.根據權利要求1-5中任一項所述的鐵基復合材料，其特征在于所述鐵基復合材料的表面還涂覆有可降解高分子載藥涂層； 所述可降解高分子載藥涂層中的高分子材料為聚羥基乙酸、聚乳酸、L-聚乳酸、聚己酸內酯、聚氰基丙烯酸酯、聚對二氧雜環己烷酮、聚酸酐、聚膦腈、氨基酸類聚合物、聚β -羥基丁酸酯和羥基戊酸酯及其共聚物中的一種或多種的任意組合； 所述可降解高分子載藥涂層中的藥物為免疫抑制劑或抗癌藥物； 所述可降解高分子載藥涂層的厚度為5 50 μ m。
7.權利要求1-6中任一項所述鐵基復合材料的制備方法，包括如下步驟將鐵粉與鎢粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳納米管粉末中任一種進行混合，然后經放電等離子體燒結或粉末冶金進行燒結，經冷卻即得到鐵基復合材料。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述放電等離子體燒結的壓力為20 40MPa，溫度為 75(Tl000°C，時間為 3 IOmin。
9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于所述粉末冶金的溫度為80(Γ1400 ，時間為5 IOh ； 所述方法還包括向所述鐵基復合材料的表面涂覆所述可降解高分子載藥涂層的步驟； 通過提拉法或勻膠法涂覆所述可降解高分子載藥涂層。
10.權利要求1-6中任一項所述鐵基復合材料在制備醫用植入體中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種全降解心血管支架用鐵基復合材料及其制備方法。所述鐵基復合材料包括Fe和W、Fe2O3、FeS和碳納米管中任一種；以重量百分比計，所述鐵基復合材料中，W、Fe2O3、FeS和碳納米管中任一種的含量為0~10%，但不為零。所述鐵基復合材料的制備方法，包括如下步驟將鐵粉與鎢粉、Fe2O3粉末、FeS粉末和碳納米管粉末中任一種進行混合，然后經放電等離子體燒結或粉末冶金進行燒結，經冷卻即得到鐵基復合材料。本發明提供的全降解心血管支架用鐵基復合材料，避免了傳統的惰性金屬支架存在的晚期血栓、支架再狹窄等問題。選用對人體無害的二次相作為復合材料的增強相，一方面提高了鐵基體在體液環境中的腐蝕速率，使鐵基體的腐蝕更均勻。
文檔編號A61L31/16GK102961787SQ201210539159
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者鄭玉峰, 程健 申請人:北京大學