專利名稱：一種永久性植入的人工骨及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永久性新型人工骨材料制備技術(shù)，特別提供了一種激光反應(yīng)合成多孔仿生結(jié)構(gòu)涂層用粉料技術(shù)和配方，在NiTi形狀記憶合金表面制備的多孔涂層可顯著改善NiTi形狀記憶合金的生物相容性，有利于植入體在人體組織內(nèi)的固定和長(zhǎng)期穩(wěn)定的存在。
背景技術(shù)：
骨和關(guān)節(jié)系統(tǒng)是人體承受負(fù)荷的組織和器官，它們?nèi)睋p后的修復(fù)和替換材料應(yīng)有較高的力學(xué)強(qiáng)度，因而金屬生物材料一直是矯形外科的主要材料，并在醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用于硬組織的替代、修復(fù)和醫(yī)療器械的制造等領(lǐng)域。對(duì)于外科移植材料，作為生物相容性金屬或合金Ti、Ti6Al4V、Co-Cr、NiTi形狀記憶合金由于具有特殊的機(jī)械性能和抗腐蝕性能，是迄今為止最重要的生物醫(yī)用材料。在這些材料中最引人注意的是NiTi形狀記憶合金，它的形狀記憶效應(yīng)、超彈性、阻尼性能以及優(yōu)異的抗腐蝕和力學(xué)性能，被公認(rèn)為是一種理想的、有發(fā)展前景的外科植入材料，并已獲得廣泛的應(yīng)用。然而，金屬材料和骨組織在組成和性質(zhì)上差異很大，通常不能像生物活性材料那樣與骨組織發(fā)生化學(xué)鍵性結(jié)合，使金屬植入體內(nèi)后往往形成纖維組織膜，金屬-骨界面不能穩(wěn)定結(jié)合，容易造成植入體松動(dòng)和脫落。同時(shí)作為植入體，金屬材料的楊氏模量遠(yuǎn)高于人體骨骼，如Ti6Al4V、NiTi形狀記憶合金及骨骼的楊氏模量分別為115、110和23GPa，合金的高彈性模量、高剛度會(huì)導(dǎo)致植入體與骨之間的力學(xué)相容性欠佳，這種合金與人體骨骼的力學(xué)失配將導(dǎo)致應(yīng)力屏蔽，產(chǎn)生對(duì)人體不利的應(yīng)力集中和骨吸收，難以與骨整合，這樣不可避免地限制了植入組織與人體組織的固定以及人體運(yùn)動(dòng)的傳遞。
為了減輕上面所提到的實(shí)體金屬植入材料的不足，多孔金屬植入材料的研究得到了高度的重視，開放型的多孔組織使骨骼組織向多孔材料內(nèi)生長(zhǎng)成為可能，能增強(qiáng)植入材料與骨骼間的牢固結(jié)合。由于它的生物相容性和形狀記憶效應(yīng)，多孔NiTi形狀記憶合金作為一種有前途的人造骨骼材料得到了廣泛的關(guān)注，并有可能替代口腔、上顎骨和細(xì)小的骨骼。目前制備多孔NiTi形狀記憶合金的方法主要有粉末冶金法、自蔓延高溫合成法等，由于這是一個(gè)新的領(lǐng)域，已發(fā)表的成果和報(bào)道多孔NiTi形狀記憶合金性能的文章較少。李丙運(yùn)、李勇華等人采用Ni、Ti、TiH2混合粉末燒結(jié)的方法，制備了多孔NiTi形狀記憶合金，制備的多孔材料60％的孔隙尺寸為400μm以上，而骨骼等硬組織內(nèi)生長(zhǎng)孔隙最適宜的尺寸范圍是100-400μm。多孔材料的組織依賴于合成預(yù)熱溫度和燃燒溫度，為了使多孔NiTi合金材料能象骨骼系統(tǒng)那樣承載，多孔NiTi合金必須有接近于骨骼的合理的強(qiáng)度和楊氏模量。雖然多孔NiTi合金材料的多孔性和機(jī)械性能可能控制，但有關(guān)這方面的研究還未見報(bào)道。
Thieme用粉末冶金的方法在常規(guī)Ti表面燒結(jié)制備了多孔涂層，該涂層由多層不同顆粒尺寸的Ti粉末組成，生長(zhǎng)方向垂直于長(zhǎng)軸，用這種工藝方法制得涂層的楊氏模量由實(shí)體材料值降低到骨骼的水平，這種梯度Ti合金涂層改善了材料結(jié)構(gòu)的兼容性，使它有可能成為永久替代骨骼的移植材料。Yang等在Ti合金植入材料表面用等離子噴涂的方法預(yù)置了梯度Ti涂層，用三種不同尺寸的粉末在Ti表面建立三層涂層，得到梯度多孔涂層，但這些涂層和等離子噴涂技術(shù)的主要問(wèn)題是基體和涂層的結(jié)合是物理結(jié)合，而不是冶金結(jié)合。
自然骨中存在Ca、P元素組成的陶瓷，如羥基磷灰石(HA)占骨成分的60％，因而人們采用羥基磷灰石作為涂層材料進(jìn)行等離子噴涂。體內(nèi)埋植試驗(yàn)證明，羥基磷灰石涂層可以強(qiáng)有力地促進(jìn)骨的化學(xué)結(jié)合，具有相當(dāng)高的生物相容性，可加快新骨的生長(zhǎng)，并已應(yīng)用于臨床，但含羥基磷灰石涂層的人骨和人工關(guān)節(jié)在力學(xué)性能上仍存在問(wèn)題。如HA的熱膨脹系數(shù)(15×10-6K-1)比鈦合金(8.8×10-6K-1)大得多，且涂層的強(qiáng)度和斷裂韌性較差，涂層與基體的結(jié)合力不夠高，作為植入材料其長(zhǎng)期臨床效果并不理想，尤其是對(duì)年輕病人和活動(dòng)量較大的病人，失效率更高，往往幾年后需再次手術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種永久性新型人工骨及其制備技術(shù)，所制備出的人工骨既具有實(shí)體NiTi合金人工骨的強(qiáng)度和模量，又具備良好的生物相容性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種激光合成反應(yīng)制備多孔材料用的涂料，利用該涂料可以實(shí)現(xiàn)多孔NiTi合金材料的制備，并且所述制備出的多孔NiTi合金材料性能良好。
本發(fā)明具體提供了一種永久性植入的人工骨，以實(shí)體NiTi形狀記憶合金為基材，表面具有多孔涂層，其特征在于所述多孔涂層是通過(guò)激光反應(yīng)合成制備的，涂層與基體呈良好的冶金結(jié)合。
本發(fā)明永久性植入的人工骨中，所述多孔涂層的結(jié)構(gòu)為由珊瑚狀Ti-Ni金屬間化合物組成涂層的支撐骨架，骨架上分布有較小尺寸的孔隙以及彌散分布、尺寸在0.5～1μm間的梅花狀TiN增強(qiáng)相，而在骨架的周圍，均勻分布有尺寸在4～20μm范圍內(nèi)連通孔隙。
本發(fā)明永久性植入的人工骨中，所述多孔涂層的厚度為250～400μm，涂層成分呈梯度分布，即由基體至涂層表面元素Ti/Ni逐漸遞增。
本發(fā)明還提供了上述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于激光反應(yīng)合成的工藝參數(shù)為合金粉末NiTi形狀記憶合金粉末20～80％重量，余量為TiH2粉末；激光功率密度范圍10～25MJmm-2；在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，反應(yīng)保護(hù)氣N2流量15～35l/min。
本發(fā)明永久性植入人工骨材料的制備方法中，激光功率密度范圍優(yōu)選為16～20MJmm-2本發(fā)明永久性植入人工骨材料的制備方法中，反應(yīng)保護(hù)氣N2流量?jī)?yōu)選為25～30l/min。
本發(fā)明永久性植入人工骨材料制備方法中，所述NiTi形狀記憶合金粉末最好在40～60％重量。
另外，本發(fā)明還提供了一種激光合成反應(yīng)制備多孔材料用的粉料，所述粉料由20～80％重量的NiTi形狀記憶合金粉末和余量的TiH2粉末組成；本發(fā)明激光合成反應(yīng)制備多孔材料用的粉料中，NiTi形狀記憶合金粉末最好在40～60％重量。
本發(fā)明激光合成反應(yīng)制備多孔材料用的粉料中，為了防止噴濺，使用時(shí)可以另外加入2～10％的高分子聚合物作為粘結(jié)劑。所述高分子聚合物優(yōu)選為聚乙烯醇。
本發(fā)明借鑒粉末冶金和等離子噴涂的成功經(jīng)驗(yàn)，采用激光輻照反應(yīng)合成技術(shù)，在NiTi形狀記憶合金表面制備多孔NiTi仿生涂層，使惰性金屬材料表面實(shí)現(xiàn)生物活性化改性，可使金屬骨替換材料既保持了金屬材料高的力學(xué)強(qiáng)度，又有生物活性，并將金屬活化改性層的彈性模量調(diào)整到自然骨水平，使骨組織與金屬材料中的負(fù)荷經(jīng)由這一活化梯度層傳遞，更有利于減少應(yīng)力屏蔽作用，解決骨替換材料長(zhǎng)期存在的力學(xué)相容性問(wèn)題，從而有利于骨的再建和植入體的穩(wěn)定。通過(guò)多孔仿生涂層的制備，改善植入材料與人體骨骼的結(jié)構(gòu)兼容性，使其能粘附和容納軟骨細(xì)胞、骨原細(xì)胞、成骨細(xì)胞等骨組織細(xì)胞，具有調(diào)控成骨細(xì)胞的能力，提供活體細(xì)胞生存必需的營(yíng)養(yǎng)通道，最終在體內(nèi)形成以此為依托具有生命活力的重建骨，實(shí)現(xiàn)病變與缺損骨的永久修復(fù)，開拓一條骨組織工程的新途徑。這項(xiàng)研究無(wú)論是在理論上，還是在臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面均具有重大意義。與現(xiàn)有的醫(yī)用植入金屬材料相比，本發(fā)明既可以彌補(bǔ)整體多孔NiTi形狀記憶合金難以承受較大負(fù)荷及對(duì)疲勞性能產(chǎn)生的不利影響，又可以克服羥基磷灰石生物活性涂層的強(qiáng)度和斷裂韌性較差，涂層與基體結(jié)合力不夠高的弊端。在賦予材料高強(qiáng)度成骨活性的同時(shí)，使之具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)和一定的力學(xué)強(qiáng)度，可發(fā)展一種新型的人工骨植入材料。


圖1為激光反應(yīng)合成多孔涂層裝置原理圖，圖中1可傳導(dǎo)激光玻璃，2激光頭，3出氣口，4保護(hù)室，5樣品，6激光束，7氮化層，8進(jìn)氣口；圖2為多孔涂層光學(xué)顯微鏡照片，(a)樣品B單條，(b)樣品C單條，(c)樣品B搭接掃描.；圖3為B、C樣品搭接掃描多孔涂層表面OM形貌，(a)B樣品，(b)C樣品；圖4為合金粉末X-射線衍射譜，(a)NiTi合金粉末，(b)B樣品粉末；圖5為A、B、C三種樣品激光改性層X射線衍射譜；
圖6為多孔激光改性層截面SEM形貌；圖7為Ni-Ti金屬間化合物的局部放大照片；圖8為多孔材料孔隙形貌結(jié)構(gòu)，(a)開放型孔隙，(b)封閉型孔隙；圖9為樣品B表面孔隙結(jié)構(gòu)SEM照片；圖10為兩種樣品表面粗糙度，(a)激光表面改性樣品，(b)NiTi基材合金；圖11基材及多孔涂層樣品表面EDX分析結(jié)果，(a)NiTi基材，(b)B樣品激光改性層表面；圖12為樣品在310K Hank’s溶液中的電化學(xué)陽(yáng)極極化曲線；圖13為激光熔覆TiH2的合金涂層組織；圖14為樣品在37℃Hank′s溶液中靜置1h后交流阻抗譜的Bode圖及相角頻率圖；圖15為樣品在37℃Hank′s溶液中靜置1h后交流阻抗譜的Nyqusit圖；圖16為樣品在SBF溶液中浸泡后SEM表面形貌，(a)基材浸泡20天，(b)基材浸泡30天，(c)激光改性樣品浸泡20天，(d)激光改性樣品浸泡30天；圖17為激光改性樣品在SBF溶液中浸泡30天后FTIR漫反射光譜；圖18為樣品植入部位X-射線平片定位照片；圖19為多孔涂層樣品植入兔體內(nèi)21天后近樣品處動(dòng)物組織切片光學(xué)顯微鏡照片；圖20為NiTi合金基體樣品植入兔體內(nèi)21天后近樣品處動(dòng)物組織切片光學(xué)顯微鏡照片。
具體實(shí)施例方式NiTi形狀記憶合金粉末其中所涉及的NiTi形狀記憶合金合金粉末中Ni-49.6at％，Ti-50.4at％，粒度為43μm；Ti2H粉末為商業(yè)純度，其粒度為38μm；將TiH2粉末與NiTi形狀記憶合金粉末按比例配制，在Ar氣保護(hù)行星式球磨機(jī)中混合均勻，采用聚乙烯醇粘結(jié)劑將經(jīng)過(guò)混料的合金粉末調(diào)制成糊狀預(yù)置于NiTi合金表面，預(yù)置粉末層厚度為0.7mm，經(jīng)80℃烘干4h。
基體材料NiTi形狀記憶合金基材經(jīng)打磨、噴砂、丙酮清洗后備用，樣品表面粗糙度Ra＝0.2μm。
將烘干的樣品置于可控氣氛反應(yīng)室中，激光表面處理采用2KW連續(xù)波Nd-YAG激光器，激光束波長(zhǎng)1.06μm，ZnSe透鏡聚焦，焦距100mm，激光器工作臺(tái)由計(jì)算機(jī)控制，X、Y、Z三維運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)每個(gè)方向的最小運(yùn)動(dòng)幅度為0.01mm。圖1為激光反應(yīng)合成多孔涂層裝置原理圖。反應(yīng)保護(hù)氣N2純度為99.95％，大面積激光處理掃描搭接率為50％。
試驗(yàn)所用合金粉末成分如表1。
表1 試驗(yàn)用合金粉末成分

通過(guò)對(duì)不同粉料配方進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究考察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，激光輻照功率密度和粉料中TiH2的含量對(duì)多孔涂層組織的形成影響較大。圖2為B、C兩種成分激光改性層斷面OM宏觀形貌。OM觀察結(jié)果顯示，與其它材料激光熔覆層相似，多孔激光改性層橫截面亦表現(xiàn)為半橢圓形，改性層與NiTi合金基材結(jié)合良好。本實(shí)驗(yàn)條件下，橢圓形的高寬比除與激光處理工藝參數(shù)有關(guān)外，還與涂層粉末的成分有關(guān)，隨激光束輻照功率密度的增加及預(yù)置涂層粉末中TiH2含量的增加，改性層橢圓的弧度趨于平緩，高寬比減小。
圖3為B、C成分樣品經(jīng)激光處理搭接掃描樣品的表面形貌，在一定的激光處理工藝條件下，激光改性層的寬度基本均勻一致，表面由一定寬度的細(xì)小條帶構(gòu)成，條帶的會(huì)聚方向?yàn)榧す馐膾呙璺较颍谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在激光束輻照最佳功率密度16MJmm-2的條件下，A、B成分樣品表面平整，無(wú)裂紋產(chǎn)生，而C、D、E成分樣品表面的某些區(qū)域均出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)狀裂紋，這與預(yù)置合金粉末中TiH2的含量有關(guān)。
圖4為激光輻照前NiTi合金粉末及B成分合金粉末的XRD衍射譜，NiTi合金粉末主要由NiTi、Ti2Ni相組成。圖5為A、B、C三種成分激光改性層XRD衍射譜，改性層均由NiTi、Ti2Ni、TiNi3等物相組成，由于激光處理采用N2保護(hù)，因而涂層中還含有TiN增強(qiáng)相。測(cè)試結(jié)果表明，隨預(yù)置粉末涂層中TiH2含量的增加，改性層中Ti2Ni衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng)。
TiH2是Ti的氫化物中最穩(wěn)定的相，其形成熱為-80.3kJ/mol，在激光輻照過(guò)程中，氫化物中H原子濃度的減少，將產(chǎn)生亞穩(wěn)過(guò)渡相。TiH2的分解過(guò)程分為兩個(gè)階段，即TiH2→TiHX→~Ti，這里0.7＜X＜1.1。由于原子間鍵合能量的關(guān)系，H原子應(yīng)該優(yōu)先與Ti原子構(gòu)成Ti-H鍵，使體系自由能降低。而在TiH2分解演變過(guò)程中，Ti原子均構(gòu)成四面體點(diǎn)陣，差別取決于H原子的數(shù)量及填充單胞中8個(gè)四面體間隙位置的情況，H原子從占據(jù)8個(gè)四面體間隙到占據(jù)部分四面體間隙。TiH2分解生成的新生Ti含有大量的缺陷，具有較高的活度，極易與反應(yīng)室中的N2反應(yīng)合成TiN增強(qiáng)相。
圖6為多孔NiTi合金激光改性層斷面SEM形貌，可以看出，沿改性層的縱深方向，在改性層內(nèi)部基體上孔隙呈均勻分布，圖7為改性層組織中Ni-Ti金屬間化合物的局部放大照片，可以看出在金屬間化合物表面仍存在更加細(xì)小的孔隙，從而構(gòu)成了類似“珊瑚狀骨骼”，在涂層組織中將起到承重骨架的作用，而在珊瑚狀Ni-Ti金屬間化合物之間，存在細(xì)小梅花狀的反應(yīng)合成增強(qiáng)相TiN。
醫(yī)用多孔材料的孔隙種類可以分為兩類，如圖8所示，一類是孔與外界材料相互連通的，一類是獨(dú)立封閉形孔。多孔NiTi合金激光改性層表面孔隙的典型形貌如圖9所示。可以看出90％以上的孔隙呈現(xiàn)三維連通、開放型形貌。合金涂層具有很好的孔隙連通性，這與激光輻照過(guò)程中TiH2的分解及Ni、Ti原子的擴(kuò)散有關(guān)。在生物醫(yī)學(xué)上，多孔植入材料表面改性層的孔形狀呈開放的連通孔，將有利于人體物質(zhì)的流動(dòng)、體液的滲透、營(yíng)養(yǎng)成分的傳輸和組織的再生與修復(fù)，加速材料與機(jī)體組織的結(jié)合，并參與正常的生命活動(dòng)，其醫(yī)療效果將較塊體NiTi合金材料為好，而其強(qiáng)度、韌性及壓縮等性能將與塊體材料相似。
多孔激光改性層改善了實(shí)體NiTi形狀記憶合金的表面狀態(tài)，多孔涂層存在于實(shí)體材料表面，有利于增強(qiáng)實(shí)體NiTi形狀記憶合金作為生物植入材料的實(shí)用性，易于誘發(fā)生物體在其表面快速種植骨牙細(xì)胞，并促進(jìn)組織的長(zhǎng)入。圖10為多孔激光表面改性層及實(shí)體NiTi形狀記憶合金樣品采用AFM所測(cè)得的表面粗糙度，可見沿改性層樣品表面方向其孔隙分布基本均勻，較實(shí)體NiTi形狀記憶合金具有明顯的表面形態(tài)優(yōu)勢(shì)，從而便于達(dá)到與生物體周圍組織相結(jié)合的目的。
圖11為NiTi形狀記憶合金基材及多孔激光改性層表面成分EDX分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光改性層表面的Ni含量為12.5at％，明顯低于原始NiTi合金中的49.2at％，因而，在本實(shí)驗(yàn)條件下，在NiTi形狀記憶合金上實(shí)現(xiàn)多孔涂層的制備，在改變NiTi合金表面形貌的同時(shí)，有效地降低了NiTi合金表面對(duì)人體有害元素Ni的含量，從而將進(jìn)一步改善NiTi形狀記憶合金作為生物醫(yī)用材料的表面性能。
圖12為多孔激光表面改性層及NiTi實(shí)體合金樣品在37℃模擬人體體液Hank′s溶液中的電化學(xué)陽(yáng)極極化曲線，可以看出，與采用其它方法制備的多孔材料不同，本研究制備的多孔激光表面改性層并未使NiTi表面的抗腐蝕性能下降，相反由于表面層富鈦，且同時(shí)存在化學(xué)穩(wěn)定性極佳的TiN增強(qiáng)相，使得多孔涂層的電化學(xué)腐蝕性能得到改善，表2為兩種樣品的電化學(xué)腐蝕性能指標(biāo)參數(shù)。多孔激光改性層的自腐蝕電位提高，腐蝕電流密度減小。根據(jù)電化學(xué)腐蝕的基表2 樣品在37℃Hank′s溶液中電化學(xué)腐蝕性能參數(shù)

本原理，材料在介質(zhì)中的腐蝕速率正比于其陽(yáng)極腐蝕電流密度，因而改性層的腐蝕電流減小，其耐電化學(xué)腐蝕性能增強(qiáng)。這種特性與其它整體多孔NiTi形狀記憶合金存在明顯的不同，與本發(fā)明激光反應(yīng)合成獨(dú)特的工藝特點(diǎn)和粉料成分設(shè)計(jì)有關(guān)。
本發(fā)明所涉及的粉料為NiTi形狀記憶合金粉末及TiH2粉末，其中TiH2粉末在粉料中所占的比例對(duì)形成多孔涂層影響較大?；旌戏勰┲蠺iH2含量低于20％時(shí)，激光輻照反應(yīng)合成多孔涂層中孔隙率較低，且所產(chǎn)生的孔隙多為封閉型孔；混合粉末中TiH2含量高于50％時(shí)，在激光輻照條件下合成反應(yīng)劇烈，極易產(chǎn)生裂紋；當(dāng)TiH2含量高于80％時(shí)，涂層中孔隙呈減少趨勢(shì)，產(chǎn)生類似于激光熔覆TiH2的合金涂層組織。如圖13所示。
本發(fā)明所涉及的激光輻照反應(yīng)合成工藝的最佳工藝參數(shù)為激光輻照功率密度為18MJmm-2，當(dāng)功率密度低于16MJmm-2時(shí)，合成反應(yīng)涂層中孔隙率低，同時(shí)由于能量密度較低，不足以使基體材料NiTi合金微熔，所以涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，涂層極易脫落，這對(duì)于應(yīng)用于植入材料的使用是極其危險(xiǎn)的。當(dāng)能量密度高于20MJmm-2時(shí)，易產(chǎn)生如下幾種情況(1)激光輻照合成反應(yīng)劇烈，涂層極易產(chǎn)生裂紋；(2)基體材料熔化深度增加，基材變形量增大，當(dāng)激光輻照產(chǎn)生的變形量高于8％時(shí)，則在實(shí)際應(yīng)用中難以使用；(3)涂層合金成分被稀釋，Ni元素含量增加，從而在作為植入材料使用過(guò)程中易產(chǎn)生對(duì)人體有害的Ni離子的溶出，使得Ni離子釋放率增大，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，甚至致癌。激光反應(yīng)合成過(guò)程中N2的流量對(duì)多孔涂層影響N2流量低于15L/min時(shí)，涂層中反應(yīng)合成的TiN量較少，使得涂層的耐蝕性和生物相容性下降。同時(shí)，TiH2分解產(chǎn)生的活性Ti原子易于與O2結(jié)合，涂層被氧化，涂層反應(yīng)合成過(guò)程中易產(chǎn)生團(tuán)聚、結(jié)瘤現(xiàn)象，當(dāng)N2流量大于35L/min時(shí)，由于活性Ti與N的親合力較大，涂層中TiN含量增大，導(dǎo)致涂層孔隙率下降，同時(shí)大量的TiN急劇反應(yīng)生成，增加了涂層的開裂傾向。
交流阻抗方法是電化學(xué)研究領(lǐng)域的主要研究手段之一，是研究電極過(guò)程和電極表面電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象的重要工具，廣泛用于化學(xué)電源、金屬腐蝕、金屬電沉積、表面現(xiàn)象(如鈍化、吸附)及其它各種電極過(guò)程的研究中。在交流阻抗的研究過(guò)程中，常用等效電路來(lái)描述電極過(guò)程。
圖14、圖15是NiTi合金基材及多孔涂層兩種樣品在37℃Hank′s溶液中靜置1h后測(cè)得的交流阻抗譜(EIS)的Bode圖、相角頻率圖和Nyqusit圖。兩種試樣的EIS圖均呈現(xiàn)一個(gè)時(shí)間常數(shù)，符合最經(jīng)典的金屬電極和溶液組成的電極系統(tǒng)的阻抗構(gòu)成。電容行為可以通過(guò)阻抗隨頻率的變化間接得到。由圖14可以看出，在測(cè)試范圍內(nèi)，多孔涂層樣品的阻抗值均高于基體材料。在低頻區(qū)，阻抗值反映的是被測(cè)試樣在電解質(zhì)中的反應(yīng)轉(zhuǎn)移電阻，反應(yīng)轉(zhuǎn)移電阻越大，腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行就越困難。
表3為模擬電路的參數(shù)值，可以看出，與NiTi合金基體相比，多孔涂層其溶液電阻Re及傳遞電阻Rp增加，而雙電層電容CPE明顯減小，由|ZCPE|=1ωC]]>可知，電容值越小，阻抗模值越大。故激光反應(yīng)合成多孔涂層改善了NiTi合金在Hank′s溶液中的抗腐蝕性能。
表3 NiTi合金基材及激光改性樣品在37℃Hank′s溶液中浸泡1h后阻抗譜的等效電路的各參數(shù)值

實(shí)施例1將10mm×10mm×5mm的NiTi基材及多孔涂層樣品的待觀察面研磨至金相樣品，經(jīng)去離子水清洗干燥后，置于裝有200mL，37℃模擬人體體液SBF溶液的試劑瓶?jī)?nèi)浸泡，瓶?jī)?nèi)SBF溶液2天更換一次，以保持SBF浸泡液成分基本恒定。將浸泡在SBF溶液中的兩種樣品定期在同一時(shí)間取出，去離子水清洗，50℃干燥后，采用SEM-EDX觀察分析樣品表面類骨磷灰石的沉積情況及成分，采用Nicolet傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)分析沉積物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
生物材料上類骨磷灰石的形成是其具有骨誘導(dǎo)性的先決條件，因而，研究影響植入材料類骨磷灰石形成的因素，是探索材料骨誘導(dǎo)機(jī)理的有效途徑。
圖16為NiTi基材及多孔激光改性樣品在37℃SBF溶液中浸泡后，樣品表面沉積物SEM形貌。觀察發(fā)現(xiàn)NiTi基材在溶液中浸泡20天，其表面形貌基本沒有變化，而激光改性樣品表面出現(xiàn)了大量呈彌散分布的“蘑菇”狀生長(zhǎng)物。浸泡30天，激光改性樣品表面生長(zhǎng)出的沉積物已基本將樣品表面完全覆蓋。EDX定量分析結(jié)果表明多孔涂層表面沉積物富含Ca、P、O元素，其沉積物中Ca、P原子比約在1.5～1.8之間變化。圖17為激光改性樣品在SBF溶液中浸泡30天后FTIR漫反射光譜。其中，3340cm-1處是OH-1特征峰，2358cm-1和1600cm-1處是H2O峰，1437cm-1是CO32-特征峰，1100～1033cm-1歸屬PO43-振動(dòng)峰，875cm-1處為HPO42-吸收峰，而701cm-1則是與P-O鍵的振動(dòng)有關(guān)。研究表明，人體羥基磷灰石中同樣含有OH-1、H2O、CO32-、PO43-、HPO42-等，說(shuō)明在SBF溶液中浸泡30天后，多孔激光改性樣品表面沉積物結(jié)構(gòu)為類骨磷灰石。
實(shí)施例2動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)所選擇的動(dòng)物為出生18個(gè)月的雄性兔子2只，體重分別為6.5Kg、6.3Kg。動(dòng)物手術(shù)前一天晚禁食，當(dāng)天禁水。按常規(guī)方法經(jīng)耳部注射戊巴比妥鈉麻醉藥品，常規(guī)消毒。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，植入材料的植入部位影響體內(nèi)骨的形成，為了順利誘導(dǎo)出骨細(xì)胞產(chǎn)生，選擇背部近椎骨肌肉作為植入部位。于兔子的背部切開約8cm長(zhǎng)的切口，切開皮膚及皮下組織，暴露肌組織，分開肌間隙，將NiTi合金致密材料和多孔涂層兩種樣品分組分別植入兔子的背部脊椎處。每組植入材料平行樣為8顆，每只兔子分兩列左右對(duì)稱各植入4顆，然后分層縫合切口。術(shù)后將兔子分籠飼養(yǎng)，于術(shù)后21天致死作相關(guān)檢查。圖18為樣品植入兔子體內(nèi)部位X-射線平片定位照片。
在動(dòng)物體內(nèi)植入材料表面形成類骨磷灰石的過(guò)程是一個(gè)從液相中生長(zhǎng)新的固相的過(guò)程。由晶體成核理論可知，新相的形成可分為兩個(gè)階段晶核形成和晶體生長(zhǎng)。新核通常在材料表面某些有利成核的位置形成，如表面凹陷或孔洞的地方，因?yàn)檫@些地方能較好的保持體液的離子濃度不被稀釋，同時(shí)動(dòng)物體內(nèi)的體液循環(huán)受到了限制，因此，材料的這些部位其離子濃度較高，也即是說(shuō)有微孔的多孔材料能保持材料表面附近的離子濃度和提供更多的成核活性點(diǎn)。所以在表面凹陷或有孔洞的地方容易形成新的晶核，晶核一旦形成即迅速長(zhǎng)大。NiTi合金致密材料因表面相對(duì)平整、致密，對(duì)動(dòng)物體內(nèi)的體液循環(huán)阻力小，其離子濃度基本保持體液的平均值，在短期內(nèi)要達(dá)到成核閡值是很困難的，所以在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，21天未形成類骨磷灰石。而多孔涂層增大了樣品的表面積，一旦材料周圍微環(huán)境中的濃度達(dá)到了成核閾值，即可在材料表面形成新核。因此，多孔涂層材料植入動(dòng)物體內(nèi)可在其表面檢測(cè)到Ca、P、O成分的存在。
圖19為多孔涂層樣品植入兔體內(nèi)21天后動(dòng)物組織切片光鏡照片，可以看出在靠近多孔涂層一側(cè)已生長(zhǎng)出軟骨細(xì)胞。圖20為NiTi基材附近兔體內(nèi)組織切片照片，組織中出現(xiàn)了炎癥細(xì)胞，而未發(fā)現(xiàn)軟骨細(xì)胞生成，說(shuō)明多孔涂層具有良好的骨誘導(dǎo)性和生物相容性。
權(quán)利要求
1.一種永久性植入的人工骨，以實(shí)體NiTi形狀記憶合金為基材，表面具有多孔涂層，其特征在于所述多孔涂層是通過(guò)激光反應(yīng)合成制備的，涂層與基體呈良好的冶金結(jié)合。
2.按照權(quán)利要求1永久性植入的人工骨，其特征在于所述多孔涂層的結(jié)構(gòu)為由珊瑚狀Ti-Ni金屬間化合物組成涂層的支撐骨架，骨架上分布有較小尺寸的孔隙以及彌散分布、尺寸在0.5～1μm間的梅花狀TiN增強(qiáng)相，而在骨架的周圍，均勻分布有尺寸在4～20μm范圍內(nèi)連通孔隙。
3.按照權(quán)利要求2永久性植入的人工骨，其特征在于所述多孔涂層的厚度為250～400μm，涂層成分呈梯度分布，即由基體至涂層表面元素組成Ti/Ni逐漸遞增。
4.一種權(quán)利要求1所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于激光反應(yīng)合成的工藝參數(shù)為合金粉末NiTi形狀記憶合金粉末20～80％重量，余量的TiH2粉末；激光功率密度范圍10～25MJmm-2；在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，反應(yīng)保護(hù)氣N2流量15～35L/min。
5.按照權(quán)利要求4所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于激光功率密度范圍16～20MJmm-2
6.按照權(quán)利要求4所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于反應(yīng)保護(hù)氣N2流量25～30L/min。
7.按照權(quán)利要求4所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于NiTi形狀記憶合金粉末40～60％重量。
8.按照權(quán)利要求4所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于在所述合金粉中加入合金粉重量2～10％的聚合物作為粘結(jié)劑。
9.按照權(quán)利要求4所述永久性植入的人工骨的制備方法，其特征在于所述聚合物為聚乙烯醇。
全文摘要
一種永久性植入的人工骨，以實(shí)體NiTi形狀記憶合金為基材，表面具有多孔涂層，其特征在于所述多孔涂層是通過(guò)激光反應(yīng)合成制備的，涂層與基體呈良好的冶金結(jié)合。本發(fā)明所制備出的人工骨既具有實(shí)體NiTi合金人工骨的強(qiáng)度和模量，又具備良好的生物相容性。
文檔編號(hào)A61L24/00GK1799523SQ200610045638
公開日2006年7月12日 申請(qǐng)日期2006年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月12日
發(fā)明者張松, 張春華 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)