一种自催化降解多孔铁基骨植入物及其制备方法

1.本发明涉及生物医用铁基骨植入物，属于可降解生物医用金属领域。


背景技术：

2.随着人口老龄化的加剧，交通事故、运动损伤等意外情况的频发，骨缺损患者明显越来越多，如出现骨组织坏死、骨关节创伤等疾病，这极大地刺激了骨植入物的需求。从骨的承载功能来看，骨植入物需要具有足够的强度来承受负载，金属骨植入物具有良好的机械性能，满足承受载荷的基本要求，骨科植入物以金属材料为主，常用的有不锈钢、钴镍合金、钛合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属等。这类金属植入人体后与人体亲和性好，没有毒性，也没有严重的排异反应，化学稳定性高，不容易发生腐蚀，在植入初期发挥了良好的治疗骨缺损效果，但骨组织康复后，这些惰性植入物作为异物，易引发炎症，需要进行手术取出。
3.近年来，具有良好的生物相容性，能在生物体内完成溶解的可降解生物医用金属引起了人们的关注。可降解生物医用金属能够在人体生理环境中发生腐蚀，实现了在骨组织修复的同时逐步降解，并最终在宿主体内完全溶解目的，避免了骨组织完全恢复后进行的二次手术带给患者及其亲属带来的心理及经济上负担，是一类极具临床应用前景的骨科植入物，被誉为“革命性金属生物材料”。
4.研究显示，可降解生物医用金属主要包括镁及其合金、锌及其合金、铁及其合金。从骨承载的功能来看，镁及其合金、锌及其合金作为密质骨强度有待进一步提高。而铁及其合金有充足的强度、良好的韧性，作为骨植入物具有极大的应用潜力。同时，铁是人体必须的微量元素，在人体中发挥着重要的生理作用，比如参与氧气运输等，人体中每天需补充一定量的铁，以维持正常的生理功能。但是，生物医用铁及其合金腐蚀电位较高(大约-0.4v)，腐蚀动力慢，降解速率低于骨组织修复速率，因此亟待调控其生物降解速率，以加快其生物医用。


技术实现要素：

5.针对现有技术中生物医用铁降解慢，难以满足骨组织修复的问题，本发明提出制备铁/氯化钠骨植入物。该骨植入物降解过程中，氯化钠会释放氯离子及钠离子，在铁基体中产生多孔结构，同时释放的氯离子半径小，吸附及穿透铁基体能力强，增强腐蚀延展及其穿透力，产生自催化效果；氯离子是人体体液中的主要负离子，它主要负责控制静止期细胞的膜电位以及细胞体积，还具有调控甘氨酸和伽马氨基丁酸的作用；释放的钠离子是细胞外液中带正电的主要离子,参于水的代谢,保证体内水的平衡；参于心肌肉和神经功的调节等作用，因此从氯化钠生理作用来讲，其引入骨植入物中具有一定的生物安全性。
6.为了达到加快铁降解目的，本发明提供以下技术方案：
7.一种自催化降解多孔铁基骨植入物，是由铁基体和氯化钠组成，其中氯化钠的质量百分比为1.1-4.5wt.％。
8.进一步地，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，所述氯化钠的质量百分比为1.2-3.2wt.％。
9.进一步地，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，所述氯化钠的质量百分比为2.8wt.％。
10.进一步地，所述氯化钠粉的粒度为20-45微米，所述铁粉尺寸为40-80微米。
11.所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中,氯化钠能够快速溶解在周围，留下众多均匀分布的微观孔隙，微观孔隙周围的金属电位较负，处于活化状态；微观孔隙外的金属电位较正，处于钝化状态，于是微孔内外形成一个活态，也就是钝态微电偶腐蚀单元，该单元中阳极(微观孔隙周围活化金属)面积较小，而阴极(微观孔隙外钝化金属)面积较大，产生小阳极大阴极现象，造成阳极电流密度大，阳极溶解加剧，腐蚀具有深挖扩展能力，即自催化加速向深处腐蚀，众多微小均匀分布的微观腐蚀形成宏观快速降解。
12.进一步的，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物致密度为85-95％。
13.进一步的，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物致密度为87-93％。
14.本发明所述的一种自催化降解多孔铁基骨植入物是通过以下技术步骤制备的：
15.步骤一机械混合:
16.将所述氯化钠粉在恒温干燥后，称取一定质量，分2-5次等量引入铁粉中搅拌3-5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；
17.步骤二球磨分散：
18.机械混合后，所述铁粉及氯化钠粉混合粉末装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述球磨机的转速为150-220r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行30-45分钟，停机3-5分钟，以避免球磨罐内因摩擦而产热过高，所述球磨的时间为70-90分钟；
19.步骤三电火花烧结：
20.经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为550-850度，烧结压力为0.5-1.1kn，保温时间为3-5分钟；
21.进一步的，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，球磨机的转速为200r/min。
22.进一步的，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，电火花烧结温度为600-750度。
23.进一步的，所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，电火花烧结压力为0.7-1.1kn。
24.本发明中，铁的熔化温度高于1500度，氯化钠的沸点低于1500度，因此在铁充分熔化之前，氯化钠会发生挥发，为了最大程度保留氯化钠，避免氯化钠的损失，本发明使用电火花烧结工艺，该工艺能够在低于铁熔点温度下烧结成型，保证了氯化钠的化学结构及其物理性能，以充分发挥其自催化加快铁基体降解目的。
25.采用的电火花烧结工艺能够快速成型铁/氯化钠骨植入物，快速升温限制了晶粒生长，起到细晶强化效果，同时在铁/氯化钠骨植入物熔化、凝固中，受到了一定的挤压，避免了常规粉末成型工艺中微孔、裂纹等结构缺陷，提高了结构完整性，保障了铁/氯化钠骨植入物降解过程中的机械稳定性。
26.采用的电火花烧结快速成型铁/氯化钠骨植入物，能够一次成型大尺寸块状致密试样，试样的尺寸及形状可以根据模具成型，方便进行后续处理，满足了大尺寸复杂结构骨
植入物的要求。
27.本发明中加入氯化钠后，所述氯化钠首先水解成氯离子及钠离子，这会在铁基体上产生很多的微孔，改变了表面形貌，增大了表面积，引起局部腐蚀，大片的局部腐蚀在整体上会表现出宏观腐蚀，从而加快铁基体降解。更重要的是，释放的活性氯离子半径小，吸附、穿透铁基体能力强，进而向晶格渗透，产生晶格缺陷，增大腐蚀延伸扩展能力；同时，释放氯离子会引起局部导电性能增强,加快铁与电子的分离，增加铁基体溶解速率。
28.本发明中氯化钠含量需要严格控制，虽然氯离子是人体中的常见成份，但是氯是一种腐蚀性较强的离子，添加量过多可能会引起在铁基体中混合不均匀，加速局部位置的点蚀或者缝隙腐蚀，产生局部腐蚀深孔等整体断裂失效形式，因此，铁/氯化钠混合粉的机械混合、球磨分散工艺步骤尤其重要，包括搅拌时间、球磨时间、球料比等；如果氯化钠添加量有限，则铁基体腐蚀性能改善效果有限，很难起到微观及宏观加速降解作用，因此需要合理选择粉末配比，另外氯化钠粒度也会影响腐蚀效果。
29.电火花烧结工艺对铁/氯化钠骨植入物成型性能有较大影响，若电火花烧结温度低，则混合粉末难以完全熔化，成型件中含有粉末颗粒而松软，所成型的样品力学整体性较差；若电火花烧压力较小，则致密程度受到较大影响，致密性能较低。
30.与现有技术相比，本发明优点如下：
31.(1)本发明中，所述铁/氯化钠骨植入物能够随着骨组织的修复而逐渐发生降解，降解过程可通过改变氯化钠含量及铁/氯化钠骨植入物微观结构等方面进行调控，克服了临床应用中惰性生物医用金属进行二次手术取出的弊端。
32.(2)本发明中，所述铁基体降解产生含铁氧化物、氢氧化物等物质，能够被吞噬细胞等吞噬或者随着新陈代谢排出体外，不会引起严重的炎症或者毒性，具有一定的生物安全性。
33.(3)本发明中，所述氯化钠会释放氯离子及钠离子，氯离子半径小，吸附及穿透铁基体能力强，增强腐蚀动力，同时氯离子是人体体液中的主要负离子，具有生物安全性。
34.(4)本发明中，所述铁/氯化钠骨植入物制备方法简易可靠，采用电火花烧结能够快速固化所述铁及氯化钠混合粉末，能够缩短制备时间，改善烧结体性能。
35.(5)本发明中，所述氯化钠作为生理溶液在医学和生物学等多个方面有重要的应用价值，能够诱导肌动蛋白单体发生聚合，治疗肠绞痛、补充钠盐等，同时价格低廉，满足植入物需求。
36.(6)本发明中，所述电火花烧结快速成型铁/氯化钠骨植入物，能够简易成型大尺寸块状致密试样，并且试样成型性能良好，操作简单，省时省力。
37.(7)本发明中，所述电火花烧结铁/氯化钠骨植入物，经过蒸馏水清洗溶解氯化钠之后，易于形成多孔结构。
具体实施方式
38.实施例1
39.称取2.8wt.％的氯化钠恒温干燥后，氯化钠平均颗粒尺寸为30微米,分4次等量引入到平均颗粒尺寸为64微米的铁粉中搅拌5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；机械混合后，所述铁粉及氯化钠粉混合物装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述
球磨机的转速为200r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行40分钟，停机5分钟，所述球磨的时间为84分钟；经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为710度，烧结压力为0.8kn，保温时间为4分钟；
40.实施效果：
41.该方法制备的铁/氯化钠骨植入物在蒸馏水中清洗后致密度为90％，在浸泡实验中腐蚀快，并且腐蚀均匀，5天后腐蚀平均深度为24微米。
42.实施例2
43.称取3.5wt.％的氯化钠恒温干燥后，氯化钠平均颗粒尺寸为30微米,分5次等量引入到平均颗粒尺寸为64微米的铁粉中搅拌5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；机械混合后，所述铁粉及氯化钠粉混合物装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述球磨机的转速为220r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行40分钟，停机5分钟，所述球磨的时间为90分钟；经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为750度，烧结压力为1.0kn，保温时间为4分钟；
44.实施效果：该方法制备的铁/氯化钠骨植入物在蒸馏水中清洗后致密度为88％，在浸泡实验中腐蚀快，并且腐蚀均匀，5天后腐蚀平均深度为27微米。
45.实施例3
46.称取1.2wt.％的氯化钠恒温干燥后，氯化钠平均颗粒尺寸为30微米,分3次等量引入到平均颗粒尺寸为64微米的铁粉中搅拌5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；机械混合后，所述铁粉及氯化钠粉混合物装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述球磨机的转速为160r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行40分钟，停机5分钟，所述球磨的时间为72分钟；经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为730度，烧结压力为0.9kn，保温时间为4分钟；
47.实施效果：该方法制备的铁/氯化钠骨植入物在蒸馏水中清洗后致密度为94％，在浸泡实验中腐蚀快，并且腐蚀均匀，5天后腐蚀平均深度为15微米。
48.实施例4
49.称取1.8wt.％的氯化钠恒温干燥后，氯化钠平均颗粒尺寸为30微米,分3次等量引入到平均颗粒尺寸为64微米的铁粉中搅拌5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；机械混合后，所述铁粉及氯化钠粉混合物装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述球磨机的转速为170r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行40分钟，停机5分钟，所述球磨的时间为78分钟；经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为750度，烧结压力为1.0kn，保温时间为4分钟；
50.实施效果：该方法制备的铁/氯化钠骨植入物在蒸馏水中清洗后致密度为92％，在浸泡实验中腐蚀快，并且腐蚀均匀，5天后腐蚀平均深度为17微米。
51.对比例1
52.其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：按15：85的质量比搅拌混合氯化钠粉末及铁粉，得到一种可降解铁基植入物，蒸馏水清洗后发现致密度较低，微观孔隙分布不均匀，块体压缩后发现试样在压缩过程中出现横向移动，这可能是由于局部地区受力不均匀导致，浸泡5天后发现有较大的腐蚀坑，存在局部腐蚀现象。
53.对比例2
54.其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：按0.3：99.5的质量比搅拌混合氯化钠粉末及铁粉，得到一种可降解铁基植入物，测试后发现致密度较高，达到98％，试样整体成型性能优良，浸泡5天后发现腐蚀较慢，接近纯铁的腐蚀程度。
55.对比例3
56.其他条件均与实施例2一致，不同之处在于：电火花烧结温度为280度，得到一种可降解铁基植入物，测试发现试样整体成型性能较差，没有良好的机械完整性。
57.对比例4
58.其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：球料比为3:1，所述球磨机的转速为80r/min，所述球磨的时间为20分钟，得到一种可降解铁基植入物，发现存在较严重的局部腐蚀孔洞，腐蚀不均匀。
59.通过实施例1、2、3及4和对比例1、2、3及4可以看出，本发明组分和制备工艺是一个有机整体，当其中任意一个或几个关键参数不在本发明保护范围内时，其效果显著下降。通过本发明实施例1和实施例2、实施例3及实施例4的内在对比发现，本发明的优选方案，起到了意料不到的效果。

技术特征：
1.一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：由铁基体和氯化钠组成，其中氯化钠的质量百分比为1.1-4.5wt.％。2.根据权利要求1所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，氯化钠的质量百分比为1.2-3.2wt.％。3.根据权利要求1所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，氯化钠的质量百分比为2.8wt.％。4.根据权利要求1所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物中，所述氯化钠粉的尺寸为20-45微米，所述铁粉的尺寸为40-80微米。5.根据权利要求1所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：所述铁基骨植入物致密度为85-95％。6.根据权利要求5所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，其特征在于：所述铁基骨植入物致密度为87-93％。7.权利要求1-6任一项所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)机械混合：将所述氯化钠粉在40-60度恒温干燥后，称取一定质量，分2-5次等量引入铁粉中搅拌3-5分钟，搅拌过程中上下翻转，均匀分散氯化钠粉末；(2)球磨分散：所述铁粉及氯化钠粉混合粉末装入球磨机进行球磨分散，球料比为7:1，所述球磨机的转速为150-220r/min，在球磨分散过程中，所述球磨机每运行30-45分钟，停机3-5分钟，以避免球磨罐内因摩擦而产热过高，所述球磨的时间为70-90分钟；(3)电火花烧结：经过球磨分散后的所述铁粉与氯化钠混合粉末采用电火花烧结工艺进行凝固成型，所述烧结温度为550-850度，烧结压力为0.5-1.1kn，保温时间为3-5分钟。8.根据权利要求7所述的一种自催化降解多孔铁基骨植入物的制备方法，其特征在于：球磨机的转速为200r/min。9.根据权利要求7所述的一种自催化降解多孔铁基骨植入物的制备方法，其特征在于：电火花烧结温度为600-750度。10.根据权利要求7所述的一种自催化降解多孔铁基骨植入物的制备方法，其特征在于：电火花烧压力为0.7-1.1kn。

技术总结
本发明涉及一种自催化降解多孔铁基骨植入物及其制备方法，属于可降解生物医用金属领域。所述一种自催化降解多孔铁基骨植入物，由铁基体和氯化钠组成，其中氯化钠的质量百分比为1.1-4.5 wt.％。所述氯化钠粉末及铁粉混合粉末经过机械混合、球磨分散后，利用电火花烧结成型。本发明的有益效果是能够低于铁熔点情况下，快速成型大块状多孔铁基骨植入物，具备自催化降解作用，众多微小均匀分布的微观腐蚀形成宏观快速降解。形成宏观快速降解。


技术研发人员：李升 任建曾 张晓红
受保护的技术使用者：湖南理工学院
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2023/8/31