一种抑菌及可降解的镁金属支架 |
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| 申请号 | CN202311318963.1 | 申请日 | 2023-10-12 | 公开(公告)号 | CN117942433A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 河北工业大学; | 发明人 | 梁春永; 张士良; 刘宁; 王洪水; 邹显瑞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于可降解镁金属医疗器械领域，尤其涉及一种抑菌及可降解的镁金属 支架 ，在镁金属支架本体的表面制有降解速率不同的微纳结构，所述降解速率不同的微纳结构包括：降解速率为0.5‑5mg/(cm2·d)的颗粒阵列结构、降解速率为3‑16mg/(cm2·d)的条纹阵列结构及降解速率为13‑32mg/(cm2·d)的凸起阵列结构，所述降解速率不同的微纳结构按照设定降解方向排布实现镁金属支架的定向降解。本发明镁金属支架具有抑菌及可控定向降解的功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种抑菌及可降解的镁金属支架，包括镁金属支架本体，其特征在于，在镁金属支架本体的表面制有降解速率不同的微纳结构，所述降解速率不同的微纳结构包括：降解速率 |
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| 说明书全文 | 一种抑菌及可降解的镁金属支架技术领域[0001] 本发明属于可降解镁金属医疗器械领域，尤其涉及一种抑菌及可降解的镁金属支架。 背景技术[0002] 在医学上，支架是人体内腔道修复过程中常用的医疗器械。传统的支架都多采用惰性金属材料及其合金制成，这些材料虽然具有强度高、耐蚀性好的优点，但是由于其生物活性较差，并且不可降解，需要进行二次手术取出，给患者带来二次痛苦。 [0003] 以镁金属为主的可降解材料的可吸收支架克服了传统支架材料所引起的诸多不足。并受到了大量学者的广泛研究，德国百克力医疗发明的WE43镁合金血管支架已进入临床应用。但是，对于镁金属支架植入体内还是存在两方面的问题，一方面是由于外植入医疗器械在手术过程中的染菌风险，一旦器械表面感染细菌，则意味着手术的失败。另一方面则是由于镁金属的降解问题，镁金属的降解主要是点蚀或者均匀腐蚀，虽然对于支架来说，其与人体组织的接触相同，但是由于应力腐蚀及点蚀的发生，不同部位的降解速率能够产生差异，并且植入体内后的降解过程难以控制，需支撑部位的支架的过早的降解则会使支架支撑失效。专利CN102485184A公布了一种塑料胆管支架内外壁面均匀附着有纳米银颗粒抗菌的专利，但是该专利采用的塑料材料力学性能较金属材料差，并且不能降解。专利CN102284086A公布了一种高分子的可降解胆管支架，用于治疗胆管结石，但是该支架同样采用高分子材料，力学性能较金属材料差。专利CN106668952A通过在支架本体的内表面设置第一控温涂层，外表面设置第二控温涂层，将药物涂层设置在第二控温涂层的外表面，达到了提高生物相容性的目的，但是其制备涂层的工艺较为复杂，并且由于其为整体的涂层，不能改变镁金属支架的区域降解速度，达到可控降解的目的。 [0004] 因此，有必要研发简单、快捷、方便、精准的抑菌及可定向降解技术，用于解决镁金属支架目前所遇到的难题。 发明内容[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种抑菌及可控定向降解的镁金属支架。该方法以现有已获得审批的镁金属支架及结构为基础，采用超快脉冲激光在镁金属支架特定位置构建特异性的微纳结构，该微纳结构具有暂时抵抗细菌粘附及长期诱发金属器械局部腐蚀的作用；通过调节激光处理区域面积大小和微纳结构形貌，实现支架在植入体内的降解早期实现抑菌的功能，并在植入体内后从两侧向中心支撑区域定向降解。本发明基于超快脉冲激光对基体热影响小、功率密度大、加工精度高和直写式加工的特点，能够在可降解镁金属表面实现特异性结构的精准定点和个性化加工；同时可根据应用需要灵活改变激光加工位置、区域大小和微纳结构形貌，满足多种不同的需求。 [0006] 实现本发明目的的技术方案为： [0007] 一种抑菌及可降解的镁金属支架，包括镁金属支架本体，在镁金属支架本体的表面制有降解速率不同的微纳结构，所述降解速率不同的微纳结构包括：降解速率为0.5‑2 2 5mg/(cm·d)的颗粒阵列结构、降解速率为3‑16mg/(cm·d)的条纹阵列结构及降解速率为 2 13‑32mg/(cm·d)的凸起阵列结构，所述降解速率不同的微纳结构按照设定降解方向排布实现镁金属支架的定向降解。 [0008] 进一步地，所述降解速率为0.5‑5mg/(cm2·d)的颗粒阵列结构由直径为1‑200nm，高1‑100nm的颗粒组成。 [0009] 进一步地，所述降解速率为3‑16mg/(cm2·d)的条纹阵列结构由宽300‑800nm、高100‑300nm的条纹组成。 [0010] 进一步地，所述降解速率为13‑32mg/(cm2·d)的凸起阵列结构由直径为100‑3000nm，高10‑10000nm的阵列凸起组成。 [0011] 进一步地，所述降解速率为0.5‑5mg/(cm2·d)的颗粒阵列结构位于中心，在颗粒2 阵列结构两侧布置降解速率为3‑16mg/(cm·d)的条纹阵列结构，在条纹阵列结构的两侧 2 布置降解速率为13‑32mg/(cm·d)的凸起阵列结构，实现镁金属支架从两端向中心的定向降解。 [0012] 进一步地，所述降解速率不同的微纳结构由超快脉冲激光加工制成。 [0013] 进一步地，所述超快脉冲激光加工的参数为：脉冲激光加工的参数为：激光频率2000K‑30MHz，脉冲能量1000J‑2MJ，光斑直径20‑80μm，线间距为60‑1000μm，扫描速度50‑ 1000mm/s。 [0014] 进一步地，所述镁金属支架材料为纯镁或WE43镁合金。 [0015] 该镁金属支架可以用于心脏支架、血管支架、胆管支架、尿道支架。 [0016] 该支架整体结构为市面通用结构，由镁金属挤压棒材经过机加工制成。镁金属支架本体的直径为2‑10mm，长度为30‑120mm。 [0017] 经过实验，我们发现不同微纳结构的表面具有抑菌的能力，主要是由于表面结构的存在影响了润湿性，使细菌难以粘附在其表面。并且具有不同特征微纳结构的表面影响了材料的降解速率，具体表现为：颗粒、条纹、凸起的镁金属支架的降解速率分别为：0.5‑2 2 2 5mg/(cm·d)，3‑16mg/(cm·d)，13‑32mg/(cm·d)。这种降解速率的变化主要与表面结构有关，由于表面结构的不同，材料的表面性能，例如润湿性，表面电势也存在区别，不同结构的润湿性及表面电势会影响结构表面与腐蚀性液体的接触面积，影响材料的降解速率。而相同表面结构的不同尺寸的表面电势差别不大。综上所述，材料的抗菌性及降解速率的改变主要是由于表面结构的不同引起的。 [0018] 微纳结构采用脉冲激光加工。脉冲激光加工的具体步骤为：首先，测量镁金属支架尺寸及加工位置的尺寸。随后，打开激光器，调节功率、频率、扫描速度、加工线间距等加工参数，使光斑照射在支架加工起始位置。保持激光焦点与激光加工位置距离不变，扫描特定部位表面。脉冲激光加工的参数为：1k～100MHz，脉冲能量20uJ～2mJ，光斑直径30～60μm，线间距200～600μm，扫描速度10～1000mm/s。 [0019] 目前可降解镁金属支架应用的关键难题在于植入体内前的抗菌及在植入复杂生理环境中后的非均匀降解及降解顺序不可控。本发明通过在镁金属支架表面采用超快脉冲激光处理，构建出能够调节凸出结构形貌、大小和表面微纳结构形貌，改变了材料的表面能及表面电势，影响了细菌的粘附。并且微纳结构的存在能够诱发器械在该区域的腐蚀行为，实现控制降解的目的，使镁金属支架根据特定的顺序由两端到中心支撑区域发生定向降解的效果。本发明所采用的激光具有对基体热影响小、功率密度大、加工精度高和直写式加工的特点，能够在镁金属表面实现特异性结构的精准定点和个性化加工；同时本发明设计可根据应用需要灵活改变支架表面的激光加工位置、区域大小和微纳结构形貌，满足不同降解需求，支架表面微纳结构的存在能够提高表面能，改变表面电势，使不同区域形成了原电池，从而使其能够从电势低的结构优先腐蚀。不同结构还有抗细菌粘附的效果。该镁金属支架表面处理技术在可降解生物医疗器械领域具有极大的应用潜力。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有益效果为： [0021] 1)可实现镁金属支架在植入体内前的抗菌效果。本发明的镁金属支架表面制备有特殊的微纳结构形貌，改变了金属的表面能及表面电势，起到了抗细菌粘附的效果，最大限度的保证了手术的成功。 [0022] 2)可实现镁金属支架的定向顺序降解，例如从两端到中心支撑区域的定向降解。本发明在镁金属支架表面设计具有特殊表面形貌的微纳结构，该结构能够增加金属表面积，从而增加与外部环境的接触面积，并且不同结构之间也存在表面电势的差异，可以使不同区域产生原电池效应，诱发腐蚀首先在电势低的结构处发生，并从两端向中心支撑区域的定向降解，避免了可降解支架植入体内的不均匀降解现象，最大程度保证了支架在植入期的力学完整性和降解适配性。 [0023] 3)只采用物理加工，不引入其它化学元素。超快脉冲激光加工属于物理加工技术，通过超快脉冲激光构建微纳结构实现镁金属支架定向降解的同时不会引入其它化学元素，保证了材料的生物安全性。 [0024] 4)加工精度高。超快脉冲激光具有对基体热影响小、功率密度大、加工精度高和直写式加工的特点，能够在镁金属支架表面实现特异性结构的精准定点和复杂精细微纳结构加工。 [0025] 5)可实现个性化加工。本发明设计可根据应用需要灵活改变激光加工位置、区域大小和微纳结构形貌，满足不同降解时间和降解顺序需求。 [0026] 6)应用前景广泛。本发明涉及的抑菌及可控定向降解的镁金属支架具有抑菌及可定向降解、能较长时间保持力学完整性、腐蚀起始位置和腐蚀速率可调节、可个性化加工等特点，能较好的满足医学领域需求。同时这一表面微纳结构的制备仅涉及镁金属支架的表面处理，并不与现有的支架生产工艺冲突，也可以降低相关支架产品注册审批的难度。附图说明 [0027] 图1为实施例1中镁金属支架表面飞秒激光处理区域示意图； [0028] 图2为实施例1中飞秒激光加工区域表面所对应的微观形貌，其中(a)为第三降解区的颗粒结构，(b)为第二降解区的条纹结构，(c)为第一降解区的凸起结构； [0029] 图3为实施例1中飞秒激光加工区域表面成分分析图； [0030] 图4为实施例1中的不同表面结构样品的细菌成活率结果； [0031] 图5为实施例1中不同结构与未处理表面的表面电势； [0032] 图6为实施例1和实施例2及飞秒加工可定向降解支架与未处理的支架的降解长度与时间的关系对比图； [0033] 图7为对比例1中不同尺寸的颗粒结构的样品的表面电势； [0034] 图8为对比例2中不同尺寸的条带结构的样品的表面电势； [0035] 图9为对比例3中不同尺寸的凸起结构的样品的表面电势。 具体实施方式[0036] 下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。 [0037] 实施例1 [0038] 本实施例中应用超快脉冲激光加工方法，在镁金属支架的表面制备微纳结构表面。 [0039] 具体飞秒激光加工步骤与工艺为： [0040] (1)采用机加工的方式得到纯镁支架 [0041] (2)测量纯镁金属支架的尺寸及加工位置的尺寸。本例所用支架总长40mm，直径为4mm。 [0042] (3)将纯镁支架固定于四轴平移台上。打开激光器，调节激光参数。调整光斑位置，使激光光斑照射在支架的起始位置。采用分区加工的方式，颗粒、条纹、凸起结构的占比为3:2:1，由支架的尖端开始加工。加工工艺分别为：a)激光频率3kHz，脉冲能量7000uJ，光斑直径45μm，线间距550μm，扫描速度1000mm/s；b)激光频率500kHz，脉冲能量9000uJ，光斑直径65μm，线间距550μm，扫描速度150mm/s：c)激光频率5kHz，脉冲能量12000uJ，光斑直径35μm，线间距550μm，扫描速度50mm/s。加工时旋转轴旋转一周，Y轴平移0.1mm，同时X轴移动以保证激光焦点到样品表面距离不变，如此往复，在特定部位表面同步诱导产生微纳结构。图 3为激光加工区域。图2为加工后该部位表面形貌，其中a，b，c为该微纳结构。 [0043] (4)将加工完成的镁金属支架取下，清洗灭菌并封装。 [0044] 图1为支架表面激光加工区域示意图。图2为加工后该部位表面形貌，其中(a)为第三降解区的颗粒结构，(b)为第二降解区的条纹结构，(c)为第一降解区的凸起结构。 [0046] 图4为实施例1中不同结构与未处理表面细菌粘附结果。 [0047] 图5为实施例1中不同结构与未处理表面的表面电势。 [0048] 图6为实施例1中飞秒加工可定向降解支架的降解长度与时间的关系；从图中可以看出，具备结构的支架的降解速率发生了明显变化，说明表面结构调控了支架的降解速率。 [0049] 对比例1 [0050] 本对比例中应用超快脉冲激光加工方法，在镁金属支架的表面制备不同尺寸的颗粒微纳结构表面。 [0051] 与实施例1的区别在于，步骤3中的加工工艺不同，具体加工工艺为：激光频率5kHz，脉冲能量4000uJ，光斑直径45μm，线间距525μm，扫描速度选用500、650、800mm/s加工样品的特定部位表面，加工时旋转轴旋转一周，Y轴平移0.1mm，同时X轴移动以保证激光焦点到样品表面距离不变，如此往复。加工结束后，在特定部位表面同步诱导产生尺寸分别为直径10nm，高3nm，直径50nm，高10nm和直径150nm、高30nm的三种不同的颗粒结构。 [0052] 图7为不同尺寸颗粒结构的表面电势的结果。不同尺寸的颗粒结构之间的表面电势相差不大，不同区域难以形成较大的电势差，不能产生顺序降解的效果。 [0053] 对比例2 [0054] 本对比例中应用超快脉冲激光加工方法，在镁金属样品的表面制备不同尺寸的条带结构表面。 [0055] 与实施例1的区别在于，步骤3中的加工方式，具体加工工艺为：激光频率400kHz，脉冲能量7500uJ，光斑直径60μm，线间距450μm，扫描速度分别采用100、120和150mm/s，加工样品表面，加工时T轴旋转一周，Y轴平移0.2mm，同时X轴移动以保证激光焦点到样品表面距离不变，如此往覆盖整个样品表面。加工结束后，在特定部位表面同步诱导产生尺寸分别为宽300nm、高100nm，宽350nm、高150nm，和宽450nm、高100nm的三种不同的阵列条带结构。 [0056] 图8为不同尺寸条带结构的表面电势的结果。不同尺寸的条带结构之间的表面电势相差不大，不同区域难以形成较大的电势差，不能产生顺序降解的效果。 [0057] 对比例3 [0058] 本对比例中应用超快脉冲激光加工方法，在镁金属样品的表面制备不同尺寸的凸起微纳结构表面。 [0059] 与实施例1的区别在于，步骤3中的加工工艺不同，具体加工工艺为：激光频率5kHz，脉冲能量18000uJ，光斑直径35μm，线间距500μm，扫描速度分别为10、30和40mm/s，加工样品表面，加工时T轴旋转一周，Y轴平移0.2mm，同时X轴移动以保证激光焦点到样品表面距离不变，如此往覆盖整个样品表面。加工结束后，特定部位表面同步诱导产生尺寸分别为直径为100nm、高200nm，直径为300nm、高100nm和直径为550nm、高300nm的三种不同的凸起结构组成。 [0060] 图9为不同尺寸凸起结构的表面电势的结果。不同尺寸的凸起结构之间的表面电势相差不大，不同区域难以形成较大的电势差，不能产生顺序降解的效果。 [0061] 实施例2 [0062] 与实施例1的区别在于，采用WE43镁合金的支架，其它制备方法与实施例1相同。结果如图6所示，从图中可以看出WE43镁合金分区处理的样品前期降解速度慢与分区降解纯镁样品，这是由于合金材料内有不同于镁元素的其他元素，在激光烧蚀过程中，能够使其表面的氧化层略厚于纯镁材料，产生了略低于纯镁材料的降解速率的效果，而发生一段时间的降解后，其表面氧化层消失，暴露出较大的比表面积，因此，其腐蚀速率加快，超过了纯镁材料。 [0063] 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 |
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