一種具有多孔結構的金屬植骨材料及其制備和應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及骨填充修復領域，具體為一種具有多孔結構的金屬植骨材料及其制備 和應用，其適合作為骨科及口腔損傷缺損后移植使用的填充材料。
【背景技術】
[0002] 骨損傷是醫學中最常見的臨床創傷，常見的骨損傷包括：普通骨折、粉碎性骨折、 髖部骨折、關節部骨折、骨腫瘤、手外傷、顱骨損傷等。據報道，全球每年進行的骨科手術總 數中的18~20%需要進行骨移植填充，骨移植手術也是臨床中僅次于輸血最常見的組織 移植術。由于各種原因造成的骨缺損的修復是臨床上一項具有挑戰性的難題。自體骨移植 被認為是理想的骨移植物，但是不可避免有其局限性：取骨區并發癥和取骨量有限。長期以 來認為，骨移植的"金標準"是取自髂嵴的皮質骨和松質骨，然而供區的慢性疼痛成為患者 術后隨訪主要和長時間的主述。異體骨具有良好的骨傳導性以及通過使用某些特定的處理 方法保留骨誘導性，也常用于骨填充術中，同樣地其存在免疫排斥反應以及感染的弊端。隨 著骨移植手術的增加，對填充材料數量要求的激增，從而推動了合成骨填充材料的發展。
[0003] 從本世紀初開始，具有生物可吸收特性的新一代醫用可降解金屬的研宄發展迅 速，受到了人們的特別關注。這類新型醫用金屬材料拋棄人們通常將金屬植入材料作為生 物惰性材料使用的傳統思想，而巧妙地利用其在人體環境中易發生腐蝕的特性，來實現金 屬植入物在體內逐漸降解直至最終消失的醫學臨床目的。此外，由于此類金屬所具有的強 度、塑性都要遠優于現已開始臨床應用的陶瓷、硫酸鈣和聚乳酸等可吸收材料，因而具有在 骨修復方面臨床應用的優勢和潛力。
[0004] 在合金中通過摻雜元素進行合金化處理是提高合金強度和改善其耐腐蝕性能的 有效手段。同時基于生物功能化的合金設計，希望利用加入人體中含有的微量元素以及對 人體有益的元素，通過體內的降解實現微量離子的可控釋放，從而促進成骨、血管化、抗感 染等臨床功效。鎂、鍶是人體中的必需元素，存在于骨骼中，研宄表明其能促進成骨細胞的 增殖及分化，抑制破骨，因此利于骨重建和修復。硅和鈣元素也被證明具有良好的生物相容 性和優異的生物活性。
[0005] 對于現有的骨填充材料，并不具有骨形成和骨誘導性，只能通過添加生長因子及 骨形態發生蛋白來提高骨誘導性。同時研宄發現有些被稱之為可吸收的骨填充物在體內 植入幾年后仍然發現其存在，另一方面過快的吸收速度而缺乏骨的形成也會造成有害的后 果。因此，對于骨填充修復領域的應用，需要吸收速度與骨修復過程匹配，材料能夠產生誘 導促進骨形成和重建的能力。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種可應用于骨科及口腔的具有多孔結構的金屬植骨材料 及其制備和應用，該合金具有優異的生物活性，良好的力學性能和吸收特性，是一種具有優 異綜合性能的醫用可降解鎂合金材料，具有良好的應用前景。
[0007] 本發明的技術方案是：
[0008] -種具有多孔結構的金屬植骨材料，該金屬植骨材料的基體合金中，各組分及重 量百分比為：Mg70. 0 ~98. 0%，Si0 ~10. 0%，Sr0 ~10. 0%，Ca0 ~10. 0%，組分中 采用Si、Sr、Ca之一種或兩種以上；該金屬植骨材料具有多孔結構，孔排布角范圍為45~ 90°，孔徑范圍為100~2000ym，孔隙率為20~70%。其中，孔排布角的含義是：在孔隙 率相當、孔徑相同的情況下，改變孔的排布方式，調整上下兩行孔之間的夾角。
[0009] 優選的，該金屬植骨材料的基體合金中，各組分及重量百分比為：Mg70. 0~ 98.0%，Si0? 1 ~10.0%，Sr0? 1 ~10.0%，Ca0? 1 ~10.0%。更優選的，該金屬植骨材 料的基體合金中，各組分及重量百分比為：Mg90. 0~97. 0%，Si1. 5~3. 5%，Sr0. 5~ 2. 5%，Ca1. 0 ~4. 0%。
[0010] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料，該金屬植骨材料的基體合金中，含有 a-Mg、Mg2Si、Mg2Sr、Mg17Sr2、Mg2Ca、CaMgSi之一種或兩種及以上相。
[0011] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料，該金屬植骨材料的基體合金中，含有少量 鐵、鎳、錯和銅雜質元素，按重量百分比計，每種含量不超過0. 1%，總量不超過0. 4%。
[0012] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料，基體外具有涂層保護，涂層的厚度為 5 ~20ym，涂層中含有MgO、MgSi03、Mg3(P04)2、CaHP04 ? 2H20、Ca3(P04)2、Caltl(P04)6(0H)2、 Sr3 (P04) 2、MgF之一種或兩種及以上化合物。
[0013] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料，涂層采用微弧氧化方法制備，電解液由 〇~lg/L氫氧化鎖Sr(0H) 2、0~lg/L氫氧化媽Ca(0H) 2、1~4g/L六偏磷酸鈉（Na2P03) 6和 1~l〇g/L氟化鉀KF? 2H20和余量的水組成。
[0014] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料的制備方法，包括基體合金的制備、涂層的 制備和多孔結構的加工，具體如下：
[0015] 基體合金的制備方法如下：
[0016] (1)按比例稱取純鎂、鎂硅中間合金或純硅、鎂鍶中間合金或純鍶、鎂鈣中間合金 或純鈣；
[0017] (2)將上述材料在90~110°C烘箱中烘干0. 5~2小時；
[0018] (3)將純鎂置于低碳鋼坩堝中，在710~730°C的電阻爐中加熱保持20~30分鐘， 直至純鎂完全熔化；
[0019] (4)將烘干的鎂硅中間合金或純硅和鎂鈣中間合金或純鈣快速加入到純鎂熔體 中，每隔10分鐘攪拌1次，共攪拌3~5次，熔煉共計40~60分鐘，得到溶液A;
[0020] (5)將電阻爐升溫至730~750 °C，向溶液A中加入烘干的鎂鍶中間合金或純鍶， 每隔10分鐘攪拌1次，共攪拌2~4次，熔煉共計30~50分鐘，得到溶液B;
[0021] (6)熔煉結束后，將溶液B倒入預先烘干的石墨模具中，即得到基體合金材料；
[0022] 整個熔煉過程在0)2和SF6混合氣氛中進行保護，按體積百分比計，99~99. 5 %的 (：02和 0? 5 ~1. 0%SF6;
[0023] 多孔結構的加工工藝如下：
[0024] 將按照上述制備方法得到的基體合金材料采用機械加工或激光加工的方法制備 多孔結構，多孔結構的技術參數如前所述。
[0025] 涂層的制備工藝如下：
[0026] 將按照上述制備方法得到的基體合金材料采用微弧氧化處理，微弧氧化的電解液 如前所述，電壓范圍360~450V，頻率1000Hz，占空比30~50%，處理時間3~10分鐘。
[0027] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料的應用，該金屬植骨材料具有良好的生物相 容性和力學性能，細胞毒性評級為〇級，采用失重實驗測得該植骨材料的降解速率為1~4 毫米每年，合金的壓縮強度為100~300MPa，延伸率為1~25%，在人體內環境中降解吸 收，在鎂、鍶元素協同作用下，具有良好的骨傳導和骨誘導能力。
[0028] 所述的具有多孔結構的金屬植骨材料的應用，該金屬植骨材料應用于臨床中包括 因創傷、畸形、骨腫瘤、骨髓炎或關節置換造成的骨缺損，以促進骨修復；或者，該金屬植骨 材料作為藥物緩釋系統的應用。
[0029] 本發明的設計思想如下：
[0030](一）本發明材料中的元素對骨誘導、骨傳導、生物相容性的影響
[0031] 鎂（Mg)是人體細胞內的主要陽離子，是體內多種細胞基本生化反應的必需物質。 正常成人身體總鎂含量約25g，其中60wt. %~65wt. %存在于骨、齒，27wt. %分布于軟組 織。鎂能促進骨的形成。在骨骼中僅次于鈣、磷，是骨細胞結構和功能所必需的元素，對促進 骨形成和骨再生，維持骨骼和牙齒的強度和密度具有重要作用。動物實驗表明鎂植入動物 體內后周圍有