一种骨组织工程支架材料
专利汇可以提供一种骨组织工程支架材料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及 生物 材料 技术领域，特别适用于人体硬组织缺损的生物医学工程 支架 材料技术领域；本发明旨在解决骨组织工程支架材料的强度问题，提出了一种金属组织工程支架材料—多孔镁及其 合金 和 复合材料 及其制备方法，将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，所述多孔金属镁、镁合金及镁复合材料，其孔隙率为5-99%，孔径为50-900μm。利用镁在体内易被降 解吸 收的性质，制备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的 力 学性能、 生物相容性 ，并可为细胞提供三维生长空间。，下面是一种骨组织工程支架材料专利的具体信息内容。
1、一种骨组织工程支架材料，其特征在于：所述骨组织工程支架材料为多孔 金属镁合金或镁复合材料；所述多孔金属镁合金或镁复合材料，其孔隙率为5- 99％，孔径为50-900μm；将上述材料应用于骨组织工程支架领域，利用镁在体 内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁合金或镁复合材料具有良好的力学性能、 生物相容性，压缩强度为10MPa-100MPa，并为细胞提供三维生长空间；
镁合金是指Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE，Mg-Al-Ca， Mg-Al-Ca-RE，Mg-Al-Sr，Mg-Zn-Zr，Mg-Zn-Al，Mg-Zn-Al-Ca，Mg-Zn-Mn， Mg-RE-Zr，Mg-RE，Mg-RE-Mn或Mg-RE-Zn镁合金系；
镁复合材料是指以纯镁或上述镁合金为主要成分，与高分子材料、羟基磷灰 石、磷酸钙生物陶瓷材料或生物玻璃进行复合而成的复合材料。
2、如权利要求1所述的骨组织工程支架材料，其特征在于：所述骨组织工程 支架材料还具有为控制其降解速度、提高生物相容性而进行表面处理后获得的表 面层，是指：羟基磷灰石层、磷酸钙层、具有良好生物相容性的高分子涂层或携 带并释放生长因子的高分子涂层，其表面层厚度为1μm-800μm。
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，特别适用于人体硬组织缺损的生物医学工程 支架材料技术领域；具体为多孔金属镁、镁合金及镁复合材料作为骨组织工程支 架材料及其制备方法。
背景技术
金属材料一直以来被认为具有生物稳定性，在体内不具备可降解吸收性能， 因而未受到组织工程领域内研究者的重视。而金属材料中的镁(Mg)，因为其具 有较高的负电极电位，与水可发生腐蚀电化学反应，生成可溶于水并可被人体吸 收的物质。同时，镁在人体内属常量元素，其含量在体内所有元素中占第四位， 对人体新陈代谢起到非常重要的作用。体重为70kg的成年人，其体内的镁含量约 为1mol，而且约一半分布在骨组织中，因而镁还具有良好的生物相容性。多孔镁 作为一种可降解的生物(组织工程)材料，能给细胞提供三维生长空间，其本身 具有生物活性，可诱导细胞分化、生长和血管的长入。在其降解吸收的过程中， 种植的细胞继续增殖、繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器 官，以达到修复创伤和重建功能的目的，可以作为组织工程支架材料。
值得注意的是，镁具有远远优于高分子材料及生物陶瓷材料的力学性能。根 据文献报道，粉末冶金法制备的多孔镁，其强度可达到17MPa，超过现有高分子
(强度不足以起到支架作用)、生物陶瓷材料(抗弯强度4.4MPa)以及二者的复 合材料(＜15MPa)的强度。
发明内容
本发明的技术方案是：
将金属镁、镁合金及镁复合材料制备成多孔结构，应用于组织工程支架领域。 所述金属镁为纯镁。镁合金包括：现有镁合金，如Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn， Mg-Al-Si，Mg-Al-RE，Mg-Al-Ca，Mg-Al-Ca-RE，Mg-Al-Sr，Mg-Zn-Zr，Mg-Zn-Al， Mg-Zn-Al-Ca，Mg-Zn-Mn，Mg-RE-Zr，Mg-RE，Mg-RE-Mn，Mg-RE-Zn等镁合 金系；以及为了提高镁合金性能而设计的新的镁合金体系。镁复合材料包括以纯 镁或镁合金为主要成分，为了提高其性能而与其他材料(如高分子材料、羟基磷 灰石、磷酸钙生物陶瓷材料、生物玻璃、生物金属材料等)进行复合而成的复合 材料。
所述多孔材料的制备方法包括粉末冶金法、熔体凝固法、金属沉积法、自蔓 延高温合成、腐蚀造孔法、固态烧结法、编织法、焊接、粘结等。
所述复合材料的制备方法包括：粉末冶金法、固体分散法、喷射沉积法、液 态浸渗法、原位复合法等。
本发明所公开的多孔金属镁、镁合金及镁复合材料，其孔隙率为5-99％， 孔径为50-900μm。利用镁在体内易被降解吸收的性质，制备出的多孔镁及其合 金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，压缩强度为10MPa-100MPa， 并为细胞提供三维生长空间。
本发明金属多孔组织工程支架材料可在表面进行处理，以控制其降解速度， 提高生物相容性。表面处理方法包括碱处理、碱处理及后续热处理、表面制备生 物活性涂层、热喷涂、表面激光熔覆、化学转化膜、阳极氧化、等离子微弧氧化、 表面渗层处理、表面电镀、迭克罗表面涂层和协合涂层等。所述骨组织工程支架 材料进行表面处理后获得的表面层，包括：羟基磷灰石层，磷酸钙层，具有良好 生物相容性的高分子涂层，携带并释放生长因子的高分子涂层等，其表面层厚度 为1μm-800μm。所生成的涂层可使得所述材料的降解速度降低，从而降低因镁的 降解而产生的氢气的释放速度，有利于细胞在材料表面的粘附。同时，所生成的 表面层具有生物活性作用，可增加细胞在材料表面的粘附，并有利于细胞的生长、 分化。
所述多孔材料可直接植入受损部位，也可经体外细胞培养，在表面粘附所需 细胞，然后植入到受损部位。所述多孔材料植入体内后，在体液作用下发生如下 反应：
Mg+H2O＝MgO+H2
Mg2++H2O＝MgO+2H-
Mg＝Mg2++2e
最终生成可被人体吸收的物质，其表面粘附细胞及体内细胞通过生长繁殖， 逐步长入多孔结构内，随着多孔支架材料的降解，最终达到组织重建的目的。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种金属组织工程支架材料-多孔镁及其合金和复合材料。 将金属材料应用于骨组织工程支架领域，利用镁在体内易被降解吸收的性质，制 备出的多孔镁及其合金、复合材料具有良好的力学性能、生物相容性，并为细胞 提供三维生长空间。
2、将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，具有良 好的生物相容性。金属材料中的镁(Mg)，因为其具有较高的负电极电位，与水 可发生腐蚀电化学反应，生成可溶于水并可被人体吸收的物质。同时，镁在人体 内属常量元素，其含量在体内所有元素中占第四位，对人体新陈代谢起到非常重 要的作用。体重为70kg的成年人，其体内的镁含量约为1mol，而且约一半分布 在骨组织中，因而镁还具有良好的生物相容性。
3、多孔镁作为一种可降解的生物(组织工程)材料，能给细胞提供三维生长 空间，其本身具有生物活性，可诱导细胞分化、生长和血管的长入。在其降解吸 收的过程中，种植的细胞继续增殖、繁殖，形成新的具有原来特殊功能和形态的 相应组织和器官，以达到修复创伤和重建功能的目的，可以作为组织工程支架材 料。
4、将多孔金属镁、镁合金及镁复合材料应用于骨组织工程支架领域，镁具有 远远优于高分子材料及生物陶瓷材料的力学性能。
附图说明
图1为实施例3中多孔镁合金材料与成骨细胞一起进行体外培养的直方图。 其中，横坐标与成骨细胞培养时间(d，天)；纵坐标代表吸光度。
具体实施方式
采用粉末冶金方法，以粒径为200-500μm的尿素为造孔剂，与镁粉(粒径为 100μm)充分混合，100MPa及室温下压铸成型，在Ar2保护下，于473K去除造 孔剂，然后在10-8Pa、773K下烧结制备出多孔镁材料，孔径为250μm，孔隙率 为35％，测得其杨氏模量为1.8GPa，压缩强度为17MPa。人骨的杨氏模量和压缩 强度分别为0.01-2GPa，0.2-80MPa。由此可见，所制备的多孔镁的杨氏模量和压 缩强度都在人骨所需范围内，可作为骨组织工程支架材料。
实施例2
将实施例1所制备的多孔镁材料，放入37℃的模拟体液中，进行腐蚀降解实 验。定期取出样品，利用称重法，研究其降解情况。结果表明，多孔镁在模拟体 液的作用下逐渐降解，其降解速度约为0.001mm/年。由此可知，多孔镁材料在人 体内可以发生降解，最终被人体完全吸收，应用于组织工程支架材料，可为细胞 生长提供空间。
实施例3
采用渗流铸造法所制备多孔AZ31镁合金材料，孔径为400μm，孔隙率为 50％，压缩强度为20MPa，经过不同碱热处理后(分别在饱和NaHCO3和饱和 NaHPO4中浸泡3h，并于773K下热处理10h)，与成骨细胞一起体外培养，分别 在培养后1天和2天，用MTT法测试样品表面细胞粘附量(以吸光度表示)，以 空白组细胞生长情况作为对比。结果如图1。
由图1可见，细胞可在所制备的多孔镁材料表面粘附。与空白组对照发现， 多孔镁材料经过表面处理后，不仅没有对细胞的正常生长产生破坏作用，而且有 利于细胞的生长，较空白组细胞数量有所增加。由此可见，所制备多孔镁合金材 料经过表面处理后有良好的生物相容性，细胞可以实现粘附、生长等。
实施例4
采用腐蚀造孔法制备多孔AZ91镁合金材料，孔径为300μm，孔隙率为45％， 压缩强度为22MPa，并通过溅射，在其表面制备磷酸钙涂层，涂层厚度为20μm。 将制备好样品植入小鼠大腿骨组织内，10星期后，取样，做切片并染色，观察植 入样品周围组织生长状况。结果发现，在样品周围有骨组织生成。
实施例5
采用自蔓延高温合成法制备多孔WE2镁合金，孔径为500μm，孔隙率为30％， 压缩强度为19MPa，并通过溶胶-凝胶法，在其表面制备羟基磷灰石涂层，涂层 厚度为18μm。将制备好样品植入小鼠大腿骨组织内，12星期后，取样，做切片 并染色，观察植入样品周围组织生长状况。结果发现，在样品周围有骨组织生成。
实施例6
采用镁纤维编织成多孔镁结构，孔径为500μm，孔隙率为60％，压缩强度为 25MPa，经过773K下热处理12h之后制备成所需形状，对其进行阳极化处理。 将处理后的材料在模拟体液中浸泡1天，分析表面成分，有磷酸钙生成，表明材 料表面具有适合于骨组织生长的生物活性作用。
实施例7
采用金属沉积法制备多孔镁材料，孔径为460μm，孔隙率为38％，压缩强度 为20MPa，利用浸涂法，将多孔镁浸于5％(w/w)聚乳酸-细胞生长因子的四 氢呋喃溶液中0.5h，从溶液中提拉出，并经室温干燥24h，在多孔镁表面制备出 聚乳酸涂层，并在聚乳酸涂层内携带细胞生长因子，涂层厚度为10μm。将所制 备材料在体外进行细胞培养1天，然后植入小鼠体内，高分子涂层内细胞生长因 子向体内释放，促进材料表面粘附的细胞及小鼠自身组织细胞的不断生长分化。
实施例8
将聚乳酸以30％体积分数添加入金属镁纤维与造孔剂的混合体中(镁纤维与 造孔剂的重量比是1∶1，镁纤维规格为：直径为50um，长径比为20∶1，造孔 剂为碳酸氢铵，其粒度为300μm)，并充分搅拌均匀，采用模压(压力为100MPa， 时间为30min)复合制备成块，经过373K下去除造孔剂，制得多孔复合材料。 孔径为300μm，孔隙率为30％，压缩强度为30MPa，将制备好样品植入小鼠大腿 骨组织内，12星期后，取样，做切片并染色，观察植入样品周围组织生长状况。 结果发现，在样品周围有骨组织生成。
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