專利名稱：用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用材料制備技術(shù)，特別涉及一種用于骨組織修復(fù)的多孔鈦
人工骨及其制備方法，屬于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
理想的骨組織替換材料應(yīng)滿足組成、結(jié)構(gòu)、外形的仿真以及功能的修復(fù)和生物力學(xué)相容等條件。目前所有制備人工骨的材料，包括陶瓷、高分子、金屬及復(fù)合材料，都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 以羥基磷灰石(HA)為代表的磷酸鈣類生物陶瓷材料與自然骨的無機(jī)成分類似，不僅具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性，而且具有骨誘導(dǎo)性，即在不外加生長(zhǎng)因子或成骨細(xì)胞的非骨環(huán)境下能誘導(dǎo)骨的形成，其三維連通的宏觀大孔和在宏觀大孔孔壁上分布的大量微米級(jí)的微孔結(jié)構(gòu)在骨誘導(dǎo)中起到了極其重要的作用。但由于其強(qiáng)度低、脆性大以及在生理環(huán)境中抗疲勞性差而僅限于非承重部位的骨組織修復(fù)。 以鈦及其合金為代表的金屬骨替換材料早已廣泛運(yùn)用于臨床。鈦具有高強(qiáng)度、良好的抗沖擊性、抗疲勞性和生物相容性而特別適合承重部位的骨組織修復(fù)。然而，由于鈦的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)大于骨的強(qiáng)度和彈性模量，與骨的力學(xué)性能不匹配，使得載荷不能很好地從植入體傳遞到相鄰骨組織而出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象，造成植入體周圍出現(xiàn)骨應(yīng)力吸收，最終導(dǎo)致植入體松動(dòng)失效。 多孔鈦由于其獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)極大地提高了植入體的生物相容性和生物力學(xué)相容性，具有以下優(yōu)點(diǎn)(l)多孔結(jié)構(gòu)有利于成骨細(xì)胞的粘附、分化和生長(zhǎng)，促進(jìn)骨長(zhǎng)入孔隙，增強(qiáng)植入體和骨的連接，實(shí)現(xiàn)生物固定。(2)三維連通的多孔結(jié)構(gòu)有利于水分和營養(yǎng)在植入體內(nèi)傳輸，促進(jìn)骨組織再生和重建，加快痊愈過程。(3)多孔鈦的強(qiáng)度和彈性模量可以通過改變孔隙率來調(diào)整，達(dá)到與被修復(fù)骨組織相匹配的力學(xué)性能，從而減輕或消除應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載能力的降低。(4)多孔鈦同時(shí)具有優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，這是多孔聚合物和多孔陶瓷不可比擬的，因而作為一種新型的骨組織修復(fù)或替換材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。 目前，已有多種方法用于制備多孔鈦，但是不同的方法制備出的多孔鈦性能相差很大。如(1)鈦粉松裝燒結(jié)法和(2)固態(tài)發(fā)泡法制備的多孔鈦，其孔隙率均較低，且多為閉孔，其中固態(tài)發(fā)泡法的工藝較為復(fù)雜，需要高溫高壓設(shè)備；(3)等離子噴涂法制備出的多孔鈦具有較好的貫通性，孔結(jié)構(gòu)為不規(guī)則的大孔和微孔，但其孔結(jié)構(gòu)可控性較差，孔隙率較低；(4)空間占位法制備出的多孔鈦其孔結(jié)構(gòu)，孔尺寸大小以及孔隙率均可控，但最大難點(diǎn)在于大量占位劑難以從素坯中除去，孔的連通性較差；(5)有機(jī)泡沫浸漬法制備的多孔鈦其孔隙率較高且孔徑可控，孔的連通性較好，但隨著注入金屬粉末量的增加和泡沫基體尺寸的減小，內(nèi)部的孔隙容易被堵塞或者形成空洞，需要緩慢的升溫速率來使泡沫均勻分解，制得的多孔鈦的強(qiáng)度和彈性模量不能與皮質(zhì)骨匹配；(6)快速成型技術(shù)可以精確控制多孔結(jié)構(gòu)，制備出的多孔鈦的孔尺寸大小，孔的形狀及孔隙率的分布都可以精確控制，但所得的孔為直的通孔結(jié)構(gòu)，且在孔壁上無微孔分布，這會(huì)影響植入體與骨之間的結(jié)合強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足，提供一種用于骨組織 修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法。該方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨具有以 下特點(diǎn)良好的生物力學(xué)相容性；三維連通的孔結(jié)構(gòu)包括互相連通的孔尺寸為100_700微 米，平均孔尺寸為200-500微米的大孔，和在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數(shù)十微米的 微孔；孔隙率30_90%可控；且制備工藝簡(jiǎn)單，易于操作。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，依次包括以下工藝步驟
(1)配料 分別用去離子水配制5-60vo1 %的分散劑溶液5ml、0. 5_10wt %的粘結(jié)劑溶液 15ml、以及l(fā)-100vol^的雙氧水溶液5ml，將配制好的溶液分別加入容器中配制成混合溶 液； (2)制槳 在上述混合溶液中加入60-100g鈦粉，并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，制成漿料，使其不能 分層； (3)發(fā)泡將制備好的漿料倒入模具中，在40-6(TC溫度下發(fā)泡1-4小時(shí)，在60-10(TC烘箱中 干燥至少8小時(shí)以上，制得多孔鈦毛坯；
(4)燒結(jié) 將多孔鈦毛坯放入真空度不低于10—卞a的高溫真空燒結(jié)爐中，以5°C /分鐘的升溫 速度升溫至90(TC，并保溫1小時(shí)，然后繼續(xù)以3°C /分鐘的升溫速度升溫至1100-1250°C， 再保溫1-3小時(shí)，隨爐冷卻，即制得多孔鈦塊體；
(5)加工清洗 將制備好的多孔鈦塊體經(jīng)機(jī)加工成所需要的形狀后，依次用石油醚，丙酮，無水乙 醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水沖洗干凈后在室溫下晾干，即得用于骨 組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。 上述技術(shù)方案中，所述分散劑為聚乙二醇，或無水乙醇，或甘油。 上述技術(shù)方案中，所述粘結(jié)劑為甲基纖維素，或聚乙烯醇。 上述技術(shù)方案中，所述雙氧水為分析純雙氧水，其濃度為30wt%。 上述技術(shù)方案中，所述鈦粉為工業(yè)純鈦粉，或鈦合金粉，或鎳鈦合金粉。 上述技術(shù)方案中，所述鈦粉其粒度為200-350目。 上述技術(shù)方案中，所述鈦粉其粒度為350目。 本發(fā)明一種上述技術(shù)方案中任一方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨，該 多孔鈦人工骨為包括互相連通的孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的大孔，和 在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數(shù)十微米的微孔；孔隙率30_90%可控；其抗壓強(qiáng)度和 彈性模量在人自然骨范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度3-193MPa，彈性模量小于25GPa，因而能有效減輕或 消除由于鈦的彈性模量110GPa，遠(yuǎn)高于骨的彈性模量而引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。
4
本發(fā)明可通過控制配料中雙氧水的濃度，或發(fā)泡工藝中的發(fā)泡溫度，或發(fā)泡時(shí)間
來制備出具有不同孔隙率的多孔鈦人工骨，其孔隙率可在30_90%的范圍內(nèi)調(diào)整。 本發(fā)明方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極的技術(shù)
效果 (1)本發(fā)明方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨具有良好的生物力學(xué)相 容性；萬能力學(xué)測(cè)試機(jī)測(cè)試的多孔鈦的抗壓強(qiáng)度和彈性模量在人自然骨范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度 3-193MPa，彈性模量小于25GPa，因而能有效減輕或消除由于鈦的彈性模量110GPa，遠(yuǎn)高于 骨的彈性模量而引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，從而避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載 能力的降低，提高植入體的成功率。 (2)本發(fā)明方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨具有良好的三維多孔結(jié) 構(gòu)，包括互相連通的孔尺寸為100-700微米，平均孔尺寸為200-500微米的大孔，和在大孔 孔壁上分布的大量幾微米至數(shù)十微米的微孔，有利于骨組織的長(zhǎng)入以實(shí)現(xiàn)生物固定和提高 多孔鈦的生物活性。 (3)本發(fā)明方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨其孔隙率可控，通過控制 配料中雙氧水的濃度，或改變發(fā)泡工藝中的發(fā)泡溫度，或發(fā)泡時(shí)間，可以制備出具有不同孔 隙率的多孔鈦人工骨，其孔隙率可在30_90%的范圍內(nèi)調(diào)整。


圖1為本發(fā)明制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的一個(gè)實(shí)物圖； 圖2為本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施例制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的掃描電
鏡圖，其中a)為放大35倍，b)為放大100倍和c)為放大1000倍； 圖3為本發(fā)明制備的孔隙率為34-64%的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的抗壓 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例并結(jié)合效果圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體的描述和進(jìn)一步的詳細(xì)說 明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例中所涉及的內(nèi)容。
實(shí)施例1 本實(shí)例用350目的工業(yè)純鈦粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為發(fā)泡 劑，聚乙二醇作為分散劑，加入甲基纖維素作為粘結(jié)劑。 具體操作步驟如下將40vol %的聚乙二醇5ml ， 3wt %的甲基纖維素15ml和 50vol %的雙氧水5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配制成混合溶液待用；接著稱量69g工 業(yè)純鈦粉，將其緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層； 將漿料倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的濾紙模具中，放入45°C的烘箱中，發(fā)泡2小時(shí)，然后升溫到8(TC烘 10小時(shí)，脫模后得到多孔鈦毛坯；最后將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結(jié)爐 中以5°C /分鐘的升溫速度升溫至90(TC，保溫1小時(shí)，然后繼續(xù)以3°C /分鐘緩慢升溫至 125(TC，并保溫2小時(shí)，隨爐冷卻，制得多孔鈦塊體。將制備好的多孔鈦塊體加工成直徑為 4毫米，高度為10毫米的樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20 分鐘，再用去離子水沖洗干凈后在室溫下晾干，即得用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。
本實(shí)施例制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的孔隙率為70vol% ;其實(shí)物圖 如圖1所示。用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的掃描電鏡圖片如圖2中(a)、 (b)和(c) 所示，從圖2(a)中可明顯看出用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的孔隙分布較為均勻，孔 隙相互貫通，圖形分析軟件(Smile View 2. 1，日本)的分析結(jié)果顯示孔尺寸主要分布在 100-700 iim，平均大孔尺寸為267. 2± 124. liim;從圖2(b)和(c)中用于骨組織修復(fù)的多 孔鈦人工骨的孔壁放大圖可以清晰地看到，孔壁粗糙，有大量的微孔分布。此孔隙結(jié)構(gòu)有利 于組織的長(zhǎng)入固定，賦予用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨更好的生物活性。力學(xué)測(cè)試結(jié)果 表明，用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的抗壓強(qiáng)度為69. 55MPa，彈性模量為0. 40GPa，抗壓 強(qiáng)度和彈性模量在人自然骨范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度3-193MPa，彈性模量小于25GPa，有利于解決 或減輕植入體和骨之間的應(yīng)力屏蔽，延長(zhǎng)植入體的壽命。從圖3中用于骨組織修復(fù)的多孔 鈦人工骨的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看到，在彈性變形后有一個(gè)較長(zhǎng)的應(yīng)力平臺(tái)，對(duì)外來沖擊力 可起到緩沖作用，避免外來沖擊力對(duì)植入體帶來破壞，保證植入的成功。
實(shí)施例2 本實(shí)例采用325目工業(yè)鎳鈦合金粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為 發(fā)泡劑，無水乙醇作為分散劑，加入甲基纖維素作為粘結(jié)劑。 具體操作步驟如下將60vol^乙醇5ml，5wt%甲基纖維素15ml和20vol^雙氧 水5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配制成混合溶液待用；接著稱量60g工業(yè)鎳鈦合金粉， 將其緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層；將漿料倒入 預(yù)先準(zhǔn)備好的濾紙模具中，放入40°C的烘箱中，發(fā)泡4小時(shí)，然后升溫到IO(TC烘8小時(shí)，脫 模后得到多孔鈦毛坯；最后將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結(jié)爐中以5°C / 分鐘的升溫速度升溫至90(TC，保溫1小時(shí)，然后繼續(xù)以3°C /分鐘緩慢升溫至IIO(TC，并保 溫3小時(shí)，隨爐冷卻，制得多孔鈦塊體。將制備好的多孔鈦塊體經(jīng)機(jī)加工成長(zhǎng)10毫米，寬10 毫米，高50毫米的樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘， 再用去離子水沖洗干凈后在室溫下晾干，即得用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。本實(shí)施例 制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的孔隙率為50vol%。
實(shí)施例3 采用200目工業(yè)鈦合金粉作為原料，分析純其濃度為30wt^雙氧水作為發(fā)泡劑， 甘油作為分散劑，加入聚乙烯醇作為粘結(jié)劑。 具體操作步驟如下將5vol^甘油5ml， lwt^聚乙烯醇15ml和100vol^雙氧水 5ml倒入50ml的燒杯中，混合均勻配制成混合溶液待用；接著稱量80g工業(yè)鈦合金粉，將其 緩慢加入混合溶液中，攪拌30分鐘，配成混合均勻的漿料，使其不能分層；將漿料倒入預(yù)先 準(zhǔn)備好的濾紙模具中，放入6(TC的烘箱中，發(fā)泡1小時(shí)，然后在6(TC烘12小時(shí)，脫模后得到 多孔鈦毛坯；最后將多孔鈦毛坯放入真空度10—3Pa的高溫真空燒結(jié)爐中以5°C /分鐘的升 溫速度升溫至90(TC，保溫1小時(shí)，然后繼續(xù)以3°C /分鐘緩慢升溫至1250°C，并保溫3小 時(shí)，隨爐冷卻，制得多孔鈦塊體。將制備好的多孔鈦塊體經(jīng)機(jī)加工成邊長(zhǎng)為IO毫米的立方 體樣品，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水沖 洗干凈后在室溫下晾干，即得用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。本實(shí)施例制備的用于骨組 織修復(fù)的多孔鈦人工骨的孔隙率為80vol%。
權(quán)利要求
一種用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于依次包括以下工藝步驟(1)配料分別用去離子水配制5-60vol％分散劑溶液5ml、0.5-10wt％粘結(jié)劑溶液15ml、以及1-100vol％雙氧水溶液5ml，將配制好的溶液分別加入容器中配制成混合溶液；(2)制漿在上述混合溶液中加入60-100g鈦粉，并充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆?，制成漿料，使其不能分層；(3)發(fā)泡將制備好的漿料倒入模具中，在40-60℃溫度下發(fā)泡1-4小時(shí)，在60-100℃烘箱中干燥至少8小時(shí)以上，制得多孔鈦毛坯；(4)燒結(jié)將多孔鈦毛坯放入真空度不低于10-3Pa的高溫真空燒結(jié)爐中，以5℃/分鐘的升溫速度升溫至900℃，并保溫1小時(shí)，然后繼續(xù)以3℃/分鐘的升溫速度升溫至1100-1250℃，再保溫1-3小時(shí)，隨爐冷卻，即制得多孔鈦塊體；(5)加工清洗將制備好的多孔鈦塊體經(jīng)機(jī)加工成所需要的形狀后，依次用石油醚，丙酮，無水乙醇和去離子水分別超聲清洗20分鐘，再用去離子水沖洗干凈后在室溫下晾干，即得用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述分散劑為聚乙二醇，或無水乙醇，或甘油。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述粘結(jié)劑為甲基纖維素，或聚乙烯醇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述雙氧水為分析純雙氧水，其濃度為30wt%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述鈦粉為工業(yè)純鈦粉，或鈦合金粉，或鎳鈦合金粉。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述鈦粉的粒度為200-350目。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨的制備方法，其特征在于所述鈦粉的粒度為350目。
8. —種上述權(quán)利要求中任一方法制備的用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨，其特征在于該多孔鈦人工骨為包括互相連通的孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的大孔，和在大孔孔壁上分布的大量幾微米至數(shù)十微米的微孔；孔隙率30_90%可控；其抗壓強(qiáng)度和彈性模量在人自然骨范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度3-193MPa，彈性模量小于25GPa。
全文摘要
本發(fā)明是一種用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨及其制備方法。該方法以鈦粉為原料，依次通過配料、制漿、發(fā)泡、燒結(jié)和清洗工藝制得多孔鈦人工骨。即使用分散劑，粘結(jié)劑和雙氧水制成混合溶液；在混合溶液中加入鈦粉制成漿料，再發(fā)泡干燥得多孔鈦毛坯；于真空燒結(jié)爐中燒結(jié)得多孔鈦塊體；加工成所需形狀后，清洗，晾干，制得用于骨組織修復(fù)的多孔鈦人工骨。該人工骨具有孔尺寸100-700微米，平均孔尺寸200-500微米的互相連通大孔，大孔壁上幾微米至數(shù)十微米的微孔結(jié)構(gòu)；孔隙率30％-90％可控；其抗壓強(qiáng)度和彈性模量在人自然骨范圍內(nèi)抗壓強(qiáng)度3-193MPa，彈性模量小于25GPa；能有效減輕應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，提高植入體成功率。
文檔編號(hào)A61L27/06GK101716368SQ20091026505
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者張興棟, 李虎, 范紅松, 趙朝勇 申請(qǐng)人:四川大學(xué)