具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材及其制备方法与流程

本发明涉及医用新材料技术领域，尤其涉及一种具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材及其制备方法。

背景技术：

人体的股骨、肱骨等关键部位需要具有较好的承重能力，在植入医用金属材料时，需要在体内承受特定的载荷并永久或半永久性地留存，这就要求植入材料具有一定的强度，并且具有较好的稳定性。现有常用的刚性材料多为不锈钢或钛合金。其中不锈钢中含有铬、镍等成分，部分不锈钢中还含有钴，不锈钢材料在人体留置过程中会向人体组织中扩散铬、镍等对人体产生毒性的元素，积累一段时间后对人体健康具有一定的损害。钛合金因其具有较好的生物相容性而被广泛使用，但钛合金仅能起到连接和支撑作用，对植入部位新骨的生长无促进作用，影响治疗效果。

镁合金和锌合金在人体内可以完全降解，镁合金存在降解速度快，而且还存在着严重的点状腐蚀现象，使材料过早的失去力学支撑，无法满足患者的需要。锌合金可有效降低其降解速率，但存在力学强度低等问题，限制了其在植入材料中的应用，上述材料均无促进新骨生长的作用，导致患者恢复周期较长，给患者造成极大的痛苦，治疗效果不理想。

现有的植入材料通过设置骨诱导涂层实现诱导骨骼生成的效果，但是，此时新骨的生长缓慢，并且刚长出的新骨强度弱，承重能力差，易开裂，很长时间借内不能发挥正常的功能。因此，研发一种医用棒材，即能满足人体关键部位对植入棒材的强度及稳定性要求，又能促进新骨生长，缩短临床恢复周期，减轻患者痛苦，提高患者的满意度，显得尤为重要。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，一方面具有较好的强度；另一方面同时具有骨诱导和骨助长活性，满足不同时期骨骼的恢复需求，更好的发挥治疗效果。

本发明的目的之二在于提供一种具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，由内至外依次设有钛合金棒材层、锌合金层和镁合金层；

所述镁合金层上设有向内延伸的燕尾凸棱，所述锌合金层设有和所述燕尾凸棱配合的燕尾凹槽，所述燕尾凹槽底部延伸至钛合金棒材层，所述镁合金层内周向设有弧形凹槽，所述弧形凹槽内填充有骨诱导活性物质；

所述锌合金层包括锌合金主体，所述锌合金主体内设有骨助长活性物质，所述锌合金层内沿径向设置扇形填充槽，所述扇形填充槽沿锌合金层周向均匀分布，所述扇形填充槽内填充骨助长活性物质；

所述钛合金棒材层在垂直棒材长度方向的横截面呈圆形。

进一步地，所述镁合金层包括第一弧形部、第二弧形部，所述第一弧形部和第二弧形部的中间位置设置向内延伸的燕尾凸棱，第一弧形部和第二弧形部关于经过棒材中心的直线对称，第一弧形部和第二弧形部内周向设置弧形凹槽。

进一步地，所述燕尾凸棱和燕尾凹槽通过过盈配合连接。采用上述机械连接方式使镁合金和锌合金层及钛合金棒材层结合牢固，稳定性好。

进一步地，所述燕尾凹槽在钛合金棒材层的延伸深度为2-5mm。

进一步地，所述钛合金棒材层的化学成分按质量百分比计为：si3.5%-5.5%，zr6.5%-8.5%，nd1.5%-3.0%，fe2%-6%，mo0.5%-1.2%，sr0.5%-1.0%，se0.5%-1.2%，余量为ti；

所述锌合金层的化学成分按质量百分比计为：ca5%-7.5%，mn3%-5%，mg0.85%-1.25%，k1.0%-1.8%，ag0.55%-0.85%，la0.6%-1.0%，se0.6%-1.2%，sr0.75%-1.25%，余量为zn；

所述镁合金层的化学成分按质量百分比计为：ca12%-15%，cu1.0%-2.0%，k2.0%-3.2%，y1.6%-2.2%，sr1.4%-1.8%，la1.2%-1.8%，余量为mg。

进一步地，所述骨诱导活性物质的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)260%-65%、纳米羟基磷灰石10%-15%、脱矿质骨基质15%-20%，余量为藻酸盐。

脱矿骨基质使脱矿后的骨基质成分，保留了骨质本身的多孔网状结构。既可以自身释放骨形态发生蛋白及生长因子，诱导干细胞的成骨分化，具有较好的成骨效果，又可以负载多种外源性物质，如纳米β-ca3(po4)2、纳米羟基磷灰石等，保持其缓释性能。β-ca3(po4)2和羟基磷灰石是人体骨骼的主要成分，释放对机体无害的离子，具有良好的生物活性和骨诱导功能，可以激发骨生成的能力，和脱矿骨基质组合使用后组成缓释系统，保证骨诱导的时间和诱导效果。藻酸盐是由海带中提取的天然多糖碳水化合物，和上述物质复配后增加其稳定性。

进一步地，所述骨助长活性物质的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸10%-20%、ⅰ型胶原蛋白20%-30%、重组人成纤维细胞生长因子1%-3%、余量为壳聚糖。

共轭亚油酸为一组含有共轭双键的亚油酸的同分异构体的混合物，可以提高alp的活性，促进骨骼的生长；ⅰ型胶原蛋白具有低免疫性的特点，作为结构蛋白被吸收后增加骨骼强度；重组人成纤维细胞生长因子可以防止局部炎症的发生并且刺激细胞的增殖分化；壳聚糖具有生物相溶性好、抑菌、促进细胞生长的功能，对各种蛋白质具有较好的亲和力。本发明采用共轭亚油酸和ⅰ型胶原蛋白、重组人成纤维细胞生长因子及壳聚糖复配使用，组分间协同增效，发挥促进骨骼的生长，增加骨骼的强度的作用。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

上述具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）取钛合金棒材加热至580℃-620℃后外部浇注530℃-580℃的锌合金熔体，得到冶金结合的钛锌双金属棒材；

（2）在上述步骤（1）的钛锌双金属棒材上加工出燕尾凹槽；

（3）在上述步骤（2）的钛锌双金属棒材的锌合金层加工出扇形填充槽，在扇形填充槽内注入骨助长活性物质；

（4）制备带有燕尾凸棱的镁合金层，并在镁合金层内开设弧形凹槽；

（5）将上述步骤（4）的的镁合金层和上述步骤（3）的钛锌双金属棒材通过燕尾凸棱和燕尾凹槽的过盈配合连接；

（6）在镁合金层的弧形凹槽内注入骨诱导活性物质，即得具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材。

进一步地，上述步骤（4）中包括制备带有燕尾凸棱的镁合金层的第一弧形部和第二弧形部，并在第一弧形部和第二弧形部上开设弧形凹槽。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材植入人体后，植入前期需要刺激新骨的生成，因此外层材料需要快速降解，本发明在该复合棒材外层设置镁合金层，镁合金在人体内可迅速被降解，不但有良好的生物相容性，而且在降解过程中可释放出人体必需且可吸收的镁元素。弧形凹槽内填充的骨诱导活性物质和人骨接触，降解过程中释放出大量磷酸根离子与钙离子，可原位形成类骨质磷灰石矿物的沉积，释放出的生长因子诱导干细胞的成骨分化，诱导骨骼的生成。

2、骨骼被诱导生成后，需要进一步促进其生长，增加其强度，并且该过程持续时间需要长于骨骼被诱导的时间，锌合金的降解速率位于镁和铁之间，不但有良好的生物相容性，而且在降解过程中可释放出人体必需且可吸收的锌元素。本发明通过在镁合金层相邻设置锌合金层，并在锌合金层内填充骨助长活性物质，当骨诱导活性物质降解完成后，锌合金层和人骨接触，随着锌合金层的降解，缓慢均匀的释放骨助长活性物质，促进骨骼的生长，增加骨骼的强度。

3、本发明通过在镁合金层上设置燕尾凸棱，和贯穿锌合金层并且延伸至钛合金棒材层的燕尾凹槽过盈配合连接，采用机械连接的方式实现在锌合金的外层设置镁合金，满足不同阶段骨骼的生长需求，使骨骼在骨诱导活性物质和骨助长活性物质的作用下，具有更好的生成性、生长性和较高的强度。

4、当外层的镁合金层和锌合金层降解完成后，留下生物相容性好的钛合金棒材在骨骼连接处，保证连接的强度，而且此时的骨骼在骨诱导活性物质、骨助长活性物质的作用下，已具有较高的强度。

5、本发明还提供了上述具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，具有易于操作、便于产业化生产的特点。

附图说明

图1为本发明实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材在垂直棒材长度方向的横截面视图；

图2为本发明实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的钛锌双金属棒材未开设燕尾凹槽时垂直棒材长度方向的横截面视图；

图3为图2中的钛锌双金属棒材开设燕尾凹槽后在垂直棒材长度方向的横截面视图；

图4为图2中的钛锌双金属棒材开设燕尾凹槽及扇形填充槽后在垂直棒材长度方向的横截面视图；

图5为图4中的钛锌双金属棒材的扇形填充槽中填充骨助长活性物质后在垂直棒材长度方向的横截面视图；

图6为实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的镁合金层第一弧形部的结构示意图；

图7为实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材镁合金层中未填充骨诱导活性物质时垂直棒材长度方向的横截面视图；

图8为实施例2中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材垂直棒材长度方向的横截面视图；

图9为实施例2中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材镁合金层中未填充骨诱导活性物质时垂直棒材长度方向的横截面视图；

图10为实施例2中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材镁合金层垂直棒材长度方向的横截面视图。

图中：1、钛合金棒材层；2、锌合金层；2-1、锌合金主体；2-2、燕尾凹槽；2-3、扇形填充槽；3、镁合金层；3-1、燕尾凸棱；3-2、第一弧形部；3-3、第二弧形部；3-4、弧形凹槽；4、骨助长活性物质；5、骨诱导活性物质。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

如图1至7所示：具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，由内至外依次设有钛合金棒材层1、锌合金层2、镁合金层3；钛合金棒材层1在垂直棒材长度方向的横截面呈圆形。具体的，镁合金层3包括第一弧形部3-2、第二弧形部3-3，第一弧形部3-2和第二弧形部3-3关于经过棒材中心的直线对称，通过将镁合金层3设为两个弧形部，便于镁合金层3的加工成型，第一弧形部3-2和第二弧形部3-3的中间位置设置向内延伸的燕尾凸棱3-1，第一弧形部3-2和第二弧形部3-3内侧周向设有弧形凹槽3-4，弧形凹槽3-4内填充骨诱导活性物质5，具体的，骨诱导活性物质5的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)260%-65%、纳米羟基磷灰石10%-15%、脱矿质骨基质15%-20%，余量为藻酸盐。随着镁合金层3的降解，骨诱导活性物质5被释放，诱导骨骼的生成。

锌合金层2包括锌合金主体2-1，锌合金主体2-1上设有和燕尾凸棱3-1配合的燕尾凹槽2-2，燕尾凹槽2-2底部延伸至钛合金棒材层1，燕尾凹槽2-2在钛合金棒材层1的延伸深度为2-5mm。燕尾凸棱3-1和燕尾凹槽2-2过盈配合连接，使镁合金和冶金结合的钛锌双金属棒材固定连接的稳定性更好。由于镁合金的熔点为650℃，锌合金的熔点为420℃，如果在锌合金外层浇筑镁合金会导致锌合金层2的熔化，本发明采用机械连接的方式实现在锌合金的外层设置镁合金，解决了上述问题。

锌合金层2内设有骨助长活性物质4，锌合金层2内沿径向设置扇形填充槽2-3，扇形填充槽2-3沿锌合金层2周向均匀分布，骨助长活性物质4位于扇形填充槽2-3内，采用扇形填充槽2-3，在锌合金层2的降解过程中，前期释放的骨助长活性物质4的量较多，可以更好的满足骨骼生长的需求，随着骨骼的生长，对骨助长活性物质4的需求量减少，此时扇形填充槽2-3内骨助长活性物质4的释放量也逐渐减少。骨骼生长强化需要的时间要长于骨骼诱导的时间，锌合金的降解速度比镁合金缓慢，因此选择在锌合金层2中设施骨助长活性物质4，随着锌合金的降解缓慢释放骨助长活性物质4，更好的满足骨骼生长的需求。具体的，骨助长活性物质4的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸10-20%、ⅰ型胶原蛋白20-30%、重组人成纤维细胞生长因子1-3%、余量为壳聚糖。

上述钛合金棒材层1的化学成分按质量百分比计为：si3.5%-5.5%，zr6.5%-8.5%，nd1.5%-3.0%，fe2%-6%，mo0.5%-1.2%，sr0.5%-1.0%，se0.5%-1.2%，余量为ti；

锌合金层2的化学成分按质量百分比计为：ca5%-7.5%，mn3%-5%，mg0.85%-1.25%，k1.0%-1.8%，ag0.55%-0.85%，la0.6%-1.0%，se0.6%-1.2%，sr0.75%-1.25%，余量为zn；

镁合金层3的化学成分按质量百分比计为：ca12%-15%，cu1.0%-2.0%，k2.0%-3.2%，y1.6%-2.2%，sr1.4%-1.8%，la1.2%-1.8%，余量为mg。

实施例2

实施例2提供一种具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，和实施例1的区别为：镁合金层3为一体成型的结构，结构如图8至10所示。本领域技术人员也可根据需要设置为其他相似的替换结构。

实施例3

实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）取钛合金棒材加热至620℃后外部浇注530℃的锌合金熔体，得到冶金结合的钛锌双金属棒材；其中钛合金棒材化学成分按质量百分比计为：si3.5%、zr6.5%、nd1.5%、fe2%、mo0.5%、sr0.5%、se0.5%，余量为ti；锌合金化学成分按质量百分比计为：ca5%，mn3%，mg0.85%，k1.0%，ag0.55%，la0.6%，se0.6%，sr0.75%，余量为zn；

（2）在上述步骤（1）的钛锌双金属棒材上加工出燕尾凹槽2-2；

（3）在上述步骤（2）的钛锌双金属棒材的锌合金层加工出扇形填充槽2-3，在扇形填充槽2-3内注入骨助长活性物质4；上述骨助长活性物质4的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸10%、ⅰ型胶原蛋白25%、重组人成纤维细胞生长因子1%、余量为壳聚糖；

（4）制备带有燕尾凸棱3-1的镁合金层3的第一弧形部3-2和第二弧形部3-3，并在第一弧形部3-2和第二弧形部3-3上开设弧形凹槽3-4；上述镁合金层3化学成分按质量百分比计为：ca12%，cu1.0%，k2.0%，y1.6%，sr1.4%，la1.2%，余量为mg；

（5）将上述步骤（4）的第一弧形部3-2、第二弧形部3-3和上述步骤（3）的钛锌双金属棒材通过燕尾凸棱3-1和燕尾凹槽2-2的过盈配合连接；

（6）在镁合金层3的弧形凹槽3-4内注入骨诱导活性物质5，即得具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，上述骨诱导活性物质5的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)260%、纳米羟基磷灰石10%、脱矿质骨基质15%，余量为藻酸盐。

实施例4

实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）取钛合金棒材加热至600℃后外部浇注550℃的锌合金熔体，得到冶金结合的钛锌双金属棒材；其中钛合金棒材化学成分按质量百分比计为：si4%，zr7%，nd2.0%，fe5%，mo1.0%，sr0.8%，se1.0%，余量为ti；锌合金化学成分按质量百分比计为：ca6%，mn4%，mg1%，k1.5%，ag0.75%，la0.8%，se1.0%，sr1.0%，余量为zn；

（2）在上述步骤（1）的钛锌双金属棒材上加工出燕尾凹槽2-2；

（3）在上述步骤（2）的钛锌双金属棒材的锌合金层加工出扇形填充槽2-3，在扇形填充槽2-3内注入骨助长活性物质4；上述骨助长活性物质4的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸15%、ⅰ型胶原蛋白20%、重组人成纤维细胞生长因子2%、余量为壳聚糖；

（4）制备带有燕尾凸棱3-1的镁合金层3的第一弧形部3-2和第二弧形部3-3，并在第一弧形部3-2和第二弧形部3-3上开设弧形凹槽3-4；上述镁合金层3化学成分按质量百分比计为：ca14%，cu1.5%，k3.0%，y2.0%，sr1.5%，la1.5%，余量为mg；

（5）将上述步骤（4）的第一弧形部3-2、第二弧形部3-3和上述步骤（3）的钛锌双金属棒材通过燕尾凸棱3-1和燕尾凹槽2-2的过盈配合连接；

（6）在镁合金层3的弧形凹槽3-4内注入骨诱导活性物质5，即得具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，上述骨诱导活性物质5的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)263%、纳米羟基磷灰石12%、脱矿质骨基质18%，余量为藻酸盐。

实施例5

实施例1中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）取钛合金棒材加热至580℃后外部浇注530℃的锌合金熔体，得到冶金结合的钛锌双金属棒材；其中钛合金棒材化学成分按质量百分比计为：si5.5%、zr8.5%、nd3.0%、fe6%、mo1.2%、sr1.0%、se1.2%，余量为ti；锌合金化学成分按质量百分比计为：ca7.5%，mn5%，mg1.25%，k1.8%，ag0.85%，la1.0%，se1.2%，sr1.25%，余量为zn；

（2）在上述步骤（1）的钛锌双金属棒材上加工出燕尾凹槽2-2；

（3）在上述步骤（2）的钛锌双金属棒材的锌合金层加工出扇形填充槽2-3，在扇形填充槽2-3内注入骨助长活性物质4；上述骨助长活性物质4的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸20%、ⅰ型胶原蛋白30%、重组人成纤维细胞生长因子3%、余量为壳聚糖；

（4）制备带有燕尾凸棱3-1的镁合金层3的第一弧形部3-2和第二弧形部3-3，并在第一弧形部3-2和第二弧形部3-3上开设弧形凹槽3-4；上述镁合金层3化学成分按质量百分比计为：ca15%，cu2.0%，k3.2%，y2.2%，sr1.8%，la1.8%，余量为mg；

（5）将上述步骤（4）的第一弧形部3-2、第二弧形部3-3和上述步骤（3）的钛锌双金属棒材通过燕尾凸棱3-1和燕尾凹槽2-2的过盈配合连接；

（6）在镁合金层3的弧形凹槽3-4内注入骨诱导活性物质5，即得具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，上述骨诱导活性物质5的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)265%、纳米羟基磷灰石15%、脱矿质骨基质15%，余量为藻酸盐。

实施例6

实施例2中具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材的制备方法，包括以下步骤：

（1）取钛合金棒材加热至590℃后外部浇注520℃的锌合金熔体，得到冶金结合的钛锌双金属棒材；其中钛合金棒材化学成分按质量百分比计为：si5%，zr7.5%，nd2.5%，fe4%，mo0.8%，sr0.7%，se1.1%，余量为ti；锌合金化学成分按质量百分比计为：ca5.5%，mn4.5%，mg1.2%，k1.4%，ag0.60%，la0.8%，se0.8%，sr0.9%，余量为zn；

（2）在上述步骤（1）的钛锌双金属棒材上加工出燕尾凹槽2-2；

（3）在上述步骤（2）的钛锌双金属棒材的锌合金层加工出扇形填充槽2-3，在扇形填充槽2-3内注入骨助长活性物质4；上述骨助长活性物质4的组成按质量百分比计为：共轭亚油酸18%、ⅰ型胶原蛋白24%、重组人成纤维细胞生长因子2%、余量为壳聚糖；

（4）制备带有燕尾凸棱3-1的镁合金层3，并开设弧形凹槽3-4；上述镁合金层3化学成分按质量百分比计为：ca13%，cu1.8%，k2.5%，y2.0%，sr1.4%，la1.4%，余量为mg；

（5）将上述步骤（4）的镁合金层3和上述步骤（3）的钛锌双金属棒材通过燕尾凸棱3-1和燕尾凹槽2-2的过盈配合连接；

（6）在镁合金层3的弧形凹槽3-4内注入骨诱导活性物质5，即得具有骨诱导及骨助长活性外层可降解的医用钛基复合棒材，上述骨诱导活性物质5的组成按质量百分比计为：纳米β-ca3(po4)263%、纳米羟基磷灰石12%、脱矿质骨基质18%，余量为藻酸盐。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。