一种可吸收的增强骨植入物材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种可吸收的增强骨植入物材料及其制备方法 (Absorbable reinforced bone implant material and preparation method thereof ) 是由 姜培齐 石培国 宋总安 于 2021-01-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种可吸收的增强骨植入物材料及其制备方法,本发明的可吸收的增强骨植入物材料主要由金属纤维与聚乳酸混合形成,其中聚乳酸中掺杂了锶、银以及硒盐。该增强骨植入物材料通过将聚乳酸与金属纤维进行协同使用,不仅可以达到阻止金属纤维表面氧化的效果,而且促进了植入物材料的可吸收性,并通过掺杂锶、银以及硒盐促进骨质生长,降低了体内腐蚀性,患者术后功能恢复良好,12月后可达到被新生骨取代的效果,且未发生相关并发症。(The invention provides an absorbable reinforced bone implant material and a preparation method thereof. The reinforced bone implant material can achieve the effect of preventing the surface of the metal fiber from being oxidized by using the polylactic acid and the metal fiber in a synergistic manner, promotes the absorbability of the implant material, promotes the growth of bone through doping strontium, silver and selenium salt, reduces the corrosivity in vivo, ensures that the postoperative function of a patient is well recovered, can achieve the effect of being replaced by new bone after 12 months, and does not generate related complications.)
技术领域
本发明涉及骨植入物技术领域，具体而言，涉及一种可吸收的增强骨植入物材料及其制备方法。
背景技术
生物可吸收材料是指能够在体内生物环境中被降解和吸收的材料，随着对生物可吸收材料研究的不断深入，以及材料学、生物学、医学等多学科交叉融合发展，生物可吸收材料用于制作人体可植入装置被广泛应用于医疗领域。骨伤科的发展与材料学的发展密不可分，近年来可吸收材料在骨伤科领域应用研究主要集中在骨折内固定上，同时也用于骨及软骨组织工程支架和药物缓释载体等。生物可吸收材料主要包括可吸收金属材料、高分子材料、无机材料和复合材料4大类。生物可吸收接骨板、螺钉和髓内针等开发应用于治疗骨折，骨折愈合后植入物可降解吸收，避免因取出内固定而二次手术；此外，可吸收植入物中可添加药物或生长因子以促进骨折愈合和预防感染，因此具有广阔的应用前景。
目前，可降解高分子骨植入医疗器械的支称强度不够，可降解金属材料应用广泛，但是单纯的金属材料其耐腐蚀性能差、患者植入体内后恢复效果不佳，极易引起其他并发症。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种可吸收的增强骨植入物材料，该增强骨植入物材料通过对金属纤维改性，将金属纤维与聚乳酸协同使用，并在聚乳酸中掺杂锶、银以及硒盐，不仅可以达到阻止金属纤维表面氧化的效果，而且促进了植入物材料的可吸收性，并通过掺杂锶、银以及硒盐促进骨质生长，降低了体内腐蚀性，患者术后功能恢复良好，12月后可达到被新生骨取代的效果，且未发生相关并发症。
本发明的第二目的在于提供上述增强骨植入物材料的制备方法，该制备方法通过在金属纤维表面喷涂聚乳酸以防止金属纤维表面氧化，并使得金属纤维在作为骨植入物材料中具有良好的功能性，整个制备方法无三废排出，安全环保。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明提供了一种可吸收的增强骨植入物材料，主要由金属纤维与聚乳酸混合形成，其中聚乳酸中掺杂了锶、银以及硒盐。
本发明的增强骨植入物材料通过将金属纤维与聚乳酸进行复合使用，提高了金属纤维的抗氧化性以及可吸收性，且通过在聚乳酸中掺杂了诸多元素后，显著增强了骨生长的速度，促进骨质生长的同时能够使得患者快速痊愈。
其中，硒元素的添加有助于促进骨质再生，因为通过研究发现氟化物容易导致骨细胞凋亡，那么适量的硒元素的添加对于氧自由基介质的氟导致的骨细胞凋亡具有很好的保护作用，因此通过添加硒对于防止氟化物中毒也是有利的，但是硒的加量也不能太大，因为如果加量太大不但不能进一步提高其保护作用，反而会造成抑制作用，因此硒盐的添加量以硒计为所述聚乳酸的0.01wt％-5wt％。
另外，锶可调节MSCs(骨髓间充质干细胞)向成骨细胞分化，并促进骨基质蛋白的合成和沉淀。因此锶对成骨细胞分化和骨生成促进作用。锶能够用至少两种机制增加前成骨细胞和多功能干细胞增殖。另外，在骨质疏松动物模型中，锶可改善骨代谢，预防骨丢失，提高骨质疏松动物的骨质量。在骨骼中，锶能取代钙化组织骨骼和牙齿羟基磷灰石晶体中少量的钙，锶元素的适量掺入可提高骨质的机械性能，还能提高骨强度，这可能是由于少量锶元素的置换，在一定程度上减少了晶格缺陷，使原子间的排列更加紧密，起到一定强化作用，从而改善骨的机械强度。因此为了保证适量的锶添加量，锶盐的添加量以锶计最好控制在聚乳酸的0.5wt％-5wt％之间。
为了抗感染，本发明在聚乳酸中还掺杂了银盐，银盐的添加量以银计为所述聚乳酸的0.01wt％-3wt％，通过银盐的适量添加一方面抗感染另一方面也具有协同锶元素、硒元素促进骨质生长的效果。
锶盐的添加量以锶计为所述聚乳酸的0.7wt％、1wt％、2wt％、3wt％等等，所述银盐的添加量以银计为所述聚乳酸的0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％、1wt％、2wt％、2.5wt％等等，所述硒盐的添加量以硒计为所述聚乳酸的0.05wt％、0.1wt％、0.5wt％、1wt％、2wt％、2.5wt％、3wt％、4wt％、4.5wt％等等。
优选地，所述金属纤维的金属元素为镁、铝、铁、锌中的任意一种或几种组合。
优选地，所述金属纤维的质量为所述聚乳酸质量的0.1wt％-10wt％。聚乳酸的添加量需要适宜，以保证能够达到抗氧化、促进可吸收性的效果，如果加量太大可能会降低骨质材料的本身可吸收性。除此之外，金属纤维的质量还可以为聚乳酸质量的0.5wt％、1wt％、2wt％、3wt％、4wt％、5wt％、7wt％、8wt％、9wt％等等。
本发明除了提供了上述增强骨植入物材料的配方，还提供了上述增强骨植入物材料的制备方法，包括如下步骤：
将锶、银以及硒盐的固体粉末或盐溶液与聚乳酸进行混合搅拌，熔融得到改性聚乳酸；
将金属粉末混合、拉丝后形成金属纤维，在金属纤维表面喷涂所述金属改性聚乳酸，切断成1-2mm的长度。
本发明的制备方法中先将聚乳酸采用锶、银以及硒盐进行改性，然后在拉丝过的金属纤维表面进行涂覆，当然涂覆的厚度最好也是有一定的要求的，一般厚度为2-3μm之间，以恰好能够起到抗氧化为宜。
优选地，喷涂所述改性聚乳酸后还包括烘烤的步骤，所述烘烤的温度为140-150℃。烘烤也是为了喷涂的稳固性。
优选地，预先将所述改性聚乳酸破碎成微米级的粉末后再进行喷涂。
优选地，改性聚乳酸破碎的粉末的颗粒度为100-500μm。
为了充分提高喷涂后的平整度以及均匀度，所采用的改性聚乳酸预先粉碎成微颗粒再进行喷涂。
通过采用本发明的制备方法制备得到的骨植入物材料可以为骨板、骨钉、骨针或骨片等，可根据具体实际应用场景进行选择。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的增强骨植入物材料通过对金属纤维改性，将金属纤维与聚乳酸协同使用，并在聚乳酸中掺杂锶、银以及硒盐，不仅可以达到阻止金属纤维表面氧化的效果，而且促进了植入物材料的可吸收性，并通过掺杂锶、银以及硒盐促进骨质生长，降低了体内腐蚀性，患者术后功能恢复良好，12月后可达到被新生骨取代的效果，且未发生相关并发症；
(2)本发明所提供的增强骨植入物材料的制备方法通过在金属纤维表面喷涂聚乳酸以防止金属纤维表面氧化，并使得金属纤维在作为骨植入物材料中具有良好的功能性，整个制备方法无三废排出，安全环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的60天X光片；
图2为本发明实施例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的120天X光片；
图3为本发明实施例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的240天X光片；
图4为比较例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的60天X光片；
图5为比较例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的120天X光片；
图6为比较例1的骨植入物材料植入家免腿骨后的240天X光片。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
骨植入物材料的制备方法如下：
1)预先备好锶盐、银盐以及硒盐溶液，控温30℃，将锶盐、银盐以及硒盐溶液与聚乳酸搅拌混合均匀，升温至300℃熔融得到改性聚乳酸，降温冷却；
2)将镁粉、铝粉、铁粉以及锌粉混合均匀，挤压拉丝形成金属纤维，在金属纤维表面通过喷射枪喷涂上述步骤得到的改性聚乳酸，喷涂完成后在烘烤箱中150℃控温烘干，切成长度为1mm均匀的纤维，以后续制作使用。
实施例2
骨植入物材料的制备方法如下：
1)预先备好锶盐、银盐以及硒盐溶液，所有盐溶液的质量百分比浓度为30wt％，控温30℃，将锶盐、银盐以及硒盐溶液与聚乳酸搅拌混合均匀，锶的添加量为聚乳酸的0.5wt％，银的添加量为聚乳酸的3wt％，硒的添加量为聚乳酸的0.01wt％，升温至350℃熔融得到改性聚乳酸，降温冷却粉碎成颗粒度为100μm的聚乳酸粉料；
2)将镁粉、铝粉、铁粉以及锌粉混合均匀，挤压拉丝形成金属纤维，在金属纤维表面通过喷射枪喷涂上述步骤得到的聚乳酸粉料，喷涂厚度为3mm，保证金属纤维的质量为聚乳酸质量的0.1wt％，喷涂完成后在烘烤箱中140℃控温烘干，切成长度为1.5mm均匀的纤维，以后续制作使用。
实施例3
骨植入物材料的制备方法如下：
1)预先备好锶盐、银盐以及硒盐溶液，所有盐溶液的质量百分比浓度为30wt％，控温30℃，将锶盐、银盐以及硒盐溶液与聚乳酸搅拌混合均匀，锶的添加量为聚乳酸的5wt％，银的添加量为聚乳酸的0.01wt％，硒的添加量为聚乳酸的5wt％，升温至350℃熔融得到改性聚乳酸，降温冷却粉碎成颗粒度为500μm的聚乳酸粉料；
2)将镁粉、铝粉、铁粉以及锌粉混合均匀，挤压拉丝形成金属纤维，在金属纤维表面通过喷射枪喷涂上述步骤得到的聚乳酸，喷涂厚度为3μm，证金属纤维的质量为聚乳酸质量的10wt％，喷涂完成后在烘烤箱中140℃控温烘干，切成长度为2mm均匀的纤维，以后续制作使用。
实施例4
骨植入物材料的制备方法如下：
1)预先备好锶盐、银盐以及硒盐溶液，所有盐溶液的质量百分比浓度为30wt％，控温30℃，将锶盐、银盐以及硒盐溶液与聚乳酸搅拌混合均匀，锶的添加量为聚乳酸的2wt％，银的添加量为聚乳酸的1wt％，硒的添加量为聚乳酸的2wt％，升温至350℃熔融得到改性聚乳酸，降温冷却粉碎成颗粒度为300μm的聚乳酸粉料；
2)将镁粉、铝粉、铁粉以及锌粉混合均匀，挤压拉丝形成金属纤维，在金属纤维表面通过喷射枪喷涂上述步骤得到的聚乳酸粉料，喷涂厚度为2.5mm，保证金属纤维的质量为聚乳酸质量的2wt％，喷涂完成后在烘烤箱中145℃控温烘干，切成长度为2mm均匀的纤维，以后续制作使用。
实施例5
具体操作步骤与实施例4一致，只是锶的添加量为聚乳酸的0.1wt％。
实施例6
具体操作步骤与实施例4一致，只是银的添加量为聚乳酸的5wt％。
实施例7
具体操作步骤与实施例4一致，只是硒的添加量为聚乳酸的0.001wt％。
实施例8
具体操作步骤与实施例4一致，只是金属纤维为聚乳酸的12wt％。
比较例1
具体操作步骤与实施例4一致，只是不添加聚乳酸。
实验例1
将本发明实施例1-8以及比较例1所得到的增强骨植入材料采用等体积的单硬脂酸甘油脂粉剂混合加热熔化，采用衡翼仪器生物力学测试仪测量其生物力学性能，以下测试样品均为所制得的样品注入温水中直接浸泡12h与浸泡3d后，取出晾干3小时后的测量值：
表1浸泡12h的生物力学检测结果
组别
最大力(N)
最大变形(mm)
外观
实施例1
10.0
6.0
无裂纹，硬度高
实施例2
11.2
6.0
无裂纹，硬度高
实施例3
11.3
6.0
无裂纹，硬度高
实施例4
11.4
6.0
无裂纹，硬度高
实施例5
9.8
5.0
无裂纹，硬度高
实施例6
9.7
5.0
无裂纹，硬度高
实施例7
9.5
5.0
无裂纹，硬度高
实施例8
9.2
5.0
无裂纹，硬度高
比较例1
8.7
4.0
有裂纹，硬度保持度好
表2浸泡3d的生物力学检测结果
组别
最大力(N)
最大变形(mm)
外观
实施例1
10.0
6.0
无裂纹，硬度高
实施例2
11.2
6.0
无裂纹，硬度高
实施例3
11.3
6.0
无裂纹，硬度高
实施例4
11.4
6.0
无裂纹，硬度高
实施例5
9.7
5.0
无裂纹，硬度高
实施例6
9.6
5.0
无裂纹，硬度高
实施例7
9.4
5.0
无裂纹，硬度高
实施例8
9.1
5.0
无裂纹，硬度高
比较例1
7.2
4.0
有裂纹，松脆
从上述表1-2的结果可以看出，本发明实施例的骨植入物材料具有良好的力学稳定性，尤其具有较优异的生物力学强度，所以可见本发明的骨植入物材料通过将聚乳酸与金属纤维进行协同使用后，可显著的提高其生物力学性能，当然所添加的锶、银以及硒元素控制在适宜的添加量内对于其骨材料的稳定性是更为有利的。
因为锶、银以及硒元素的适量添加对于骨植入物材料的韧性等生物力学强度都是有一定影响的，如果加量过大或者过低都不能保证骨植入物材料处于最优异的生物力学强度范围内，最理想的骨植入物材料的力学强度就是保证良好的韧性、强度以及变形量，且能够保证在体液强烈冲击的情况下依然能够维持优异的稳定性。
实验例2
将本发明实施例1的骨植入物材料制备成直径2mmx6mm园棒，植入家免腿骨中，在60天、120天、240天分别拍X光片，材料吸收与骨质生长情况如图1-3所示，从图中可以看出，在240天时植入材料基本上被吸收，骨孔基本上愈合，说明了本发明的骨植入物材料吸收性好，术后恢复快，体内副反应少。通过将本发明实施例2-4的骨植入物材料进行上述实验也得到相应的结果。
此外，将本发明实施例5-8、比较例1的骨植入物材料进行上述实验，发现240天拍的X光片达不到实施例1的完全吸收的情况，骨孔还没有愈合，说明锶、银、硒加量不适宜的情况下，是会影响骨吸收的状况的，尤其是实施例8金属纤维含量大，聚乳酸含量低的情况下，副反应较多，降低了聚乳酸的功能性，所以恢复吸收速度会比较慢。
最后，比较例1由于完全不添加聚乳酸，所以吸收速度最慢，骨孔愈合速度最慢，具体见图4-6的X光片，在240天时植入材料还没有被吸收，骨孔愈合速度也很慢。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。