一种具有双重保护层的医用含镁植入物及其制备方法

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有双重保护层的医用含镁植入物及其制备方法。

背景技术

镁及镁合金被认为是极具潜力的生物植入材料，其优势在于，如密度低、比强度和比刚度高等。此外，由于镁离子是人体内仅次于钾的细胞内正离子，参与体内的一系列新陈代谢过程，具有抗凝血性和组织相容性，因此，镁及镁合金具有更好的生物安全性。但是镁和镁合金的高反应活性和易腐蚀的缺点限制了其在生物植入材料领域的应用。镁或镁合金植入后降解速度过快，特别是在植入初期，导致局部高的pH值环境，伤口不易愈合，并产生炎症反应等。同时，因为降解过快，其降解产物的氢气未能被机体及时吸收而形成气泡在组织局部聚集。为了控制镁合金在体内的降解速度，可采用表面改性处理、纯净化冶炼及合金化等方法，表面改性处理方法是其中最为有效的方法。表面化学转化膜、阳极氧化(和微弧氧化)、激光表面改性、化学沉积、离子注入、高分子涂层等技术都已应用于工程用镁合金的表面改性处理，有效的降低镁合金在工程环境下的腐蚀速度。虽然这些研究成果为可降解镁合金的表面改性处理奠定了一定的基础，但是体内环境与工程环境不同，而且更加复杂，现有的镁合金表面改性处理方法还不能完全满足可降解镁合金临床应用的需求。

CN102389588A公开了一种用于生物植入的镁或镁合金材料的制备方法。用于生物植入的镁或镁合金材料包括镁或镁合金基体，在镁或镁合金基体上通过微弧氧化法设置有磷酸镁层，在磷酸镁层上通过溶胶凝胶法设置有氧化钛层。

CN102286767A公开了一种镁合金生物植入材料表面的复合涂层，该复合涂层由位于镁合金基体表面的过渡层，以及位于该过渡层表面的DLC薄膜层组成；过渡层是利用微弧氧化技术，使镁合金基体表层的镁原子原位形成的氧化物多孔膜；并且该氧化物多孔膜的表面孔径小于或等于1000nm，过渡层的厚度为3-15μm，DLC薄膜层的厚度为300-1000nm。

但上述方法虽能在前期避免镁或镁合金与体液的直接接触，延缓前期降解，并不能阻止镁或镁合金在中后期腐蚀速度过快的问题，即待保护层降解后，镁或镁合金依然会与体液的直接接触，导致后期腐蚀速率过快。

因此，如何提供一种使镁或镁合金在植入期间降解速率相对均匀，氢气生产速率相对稳定，从而保证植入物安全性和有效性的方法成为当前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有双重保护层的医用含镁植入物及其制备方法，所述具有双重保护层的医用含镁植入物通过对金属镁或镁合金多层保护膜的设计，以及整体结构的优化，进一步促进了组织的修复，解决了金属镁或镁合金在中后期腐蚀过快的问题，加大地提升了安全性和有效性；所述制备方法工艺流程简单，有利于生产应用。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物由至少3片的含镁复合层层压得到，例如3片、4片、5片、6片、7片或8片等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；

所述含镁复合层包括片状金属镁或镁合金，包覆于所述片状金属镁或镁合金表面的第一保护层，以及包覆于所述第一保护层表面的第二保护层；

所述第一保护层的材质包括铁或锌；

所述第二保护层的材质包括水溶性聚酯与生物活性玻璃纤维的组合。

本发明中，先采用铁或锌作为第一保护层包覆到金属镁或镁合金的表面，一方面可以保护金属镁或镁合金，避免在包覆第二保护层时受到破坏，另一方面，铁和锌作为生物可降解性材料，无毒无害，避免对人体产生影响；然后再采用水溶性聚酯与生物活性玻璃纤维作为第二保护层，有利于细胞粘附、生长、分化，从而促进组织修复；再者，植入物整体由多片含镁复合层层压得到的，每片复合层都是互相独立的，植入后，与人体组织接触的外部单片含镁复合层开始降解，没有接触组织的内部含镁复合层则不受影响。当外部含镁复合层被人体吸收后，内部的含镁复合层再与人体组织接触后，开始降解，逐层降解的模式使植入物在植入期间，金属镁或镁合金的腐蚀的速度相对均匀，氢气生产速率相对稳定，从而保证了植入物的安全和有效，具有较好的应用前景。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

作为本发明优选的技术方案，所述片状金属镁或镁合金的厚度为30-1000μm，例如30μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、500μm、600μm、700μm、800μm、900μm或1000μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述片状金属镁或镁合金的宽度为30-50mm，例如30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，所述第一保护层的厚度为0.3-5μm，例如0.3μm、0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，第一保护层的厚度十分重要，若第一保护层的厚度过薄，会导致保护层起不到作用；过厚则会影响植入物的降解。

作为本发明优选的技术方案，所述第二保护层的干膜厚度为5-25μm，例如5μm、10μm、15μm、20μm或25μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

本发明中，第二保护层的干膜厚度同样至关重要，若第二保护层的厚度过薄会降低植入物的生物活性；过厚则会影响植入物的力学性能。

作为本发明优选的技术方案，所述生物活性玻璃纤维的直径为10-100μm，例如10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm或100μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述生物活性玻璃纤维的长度为2-10mm，例如2mm、4mm、6mm、8mm或10mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述生物活性玻璃纤维的长径比为20-1000，例如20、100、200、300、400、500、600、700、800、900或1000等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，在所述第二保护层中，所述生物活性玻璃纤维沿长轴方向平行排布。

本发明中，定向排列的生物活性玻璃纤维更有利于细胞的粘附、生长和分化，可进一步促进组织修复。

第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的具有双重保护层的医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将金属镁或镁合金置于铁源或锌源中进行置换反应，使金属镁或镁合金表面包覆第一保护层；

(2)将水性聚酯溶液与生物活性玻璃纤维混合置于电泳槽中，然后将步骤(1)得到的包覆有第一保护层的金属镁或镁合金分别作为正极极片与负极极片插入电泳槽中，进行电泳，使第一保护层表面包覆第二保护层，得到含镁复合层；

(3)将步骤(2)得到的含镁复合层进行干燥，然后取至少3片含镁复合层层叠放置，进行热压成型，得到具有双重保护层的医用含镁植入物。

本发明中，先通过置换反应在金属镁或镁合金的表面包覆铁涂层或锌涂层，表面在电泳时，金属镁或镁合金与水接触，发生电化学反应；再利用电泳控制生物活性玻璃纤维进行定向排布；然后通过多片层叠热压，得到结构优化的具有双重保护层的医用含镁植入物，提升了整体性能，解决了现有植入物中后期腐蚀过快的问题，工艺流程简单，具有较高的应用前景。

含镁复合层的层叠数量可依据所需尺寸进行调整。

作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铁源包括氯化亚铁溶液、溴化铁溶液、硫酸亚铁溶液或硝酸亚铁溶液中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限定实例有：氯化亚铁溶液和溴化铁溶液的组合，硫酸亚铁溶液和硝酸亚铁的组合，氯化亚铁溶液和硫酸亚铁溶液的组合等

优选地，步骤(1)所述锌源包括氯化锌溶液、溴化锌溶液、碘化锌溶液、硝酸锌溶液或高氯酸锌溶液中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限定实例有：氯化锌溶液和溴化锌溶液的组合，溴化锌溶液和碘化锌溶液的组合，氯化锌溶液和高氯酸锌溶液的组合等。

优选地，步骤(1)所述铁源或锌源的浓度独立地为0.1-0.2mol/L，例如0.1mol/L、0.12mol/L、0.14mol/L、0.16mol/L、0.18mol/L或0.2mol/L等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述第一保护层的厚度为0.3-5μm，例如0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、2μm、3μm、4μm或5μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述水性聚酯溶液的制备方法包括：将水溶性聚酯水混合，采用有机胺调节pH至8-10，得到水溶性聚酯溶液。

本发明中，水溶性聚酯包括水溶性聚丙烯酸酯。

优选地，所述有机胺包括三乙胺、N、N-二甲基乙醇胺、三乙醇胺或二乙醇胺中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限定实例有：三乙醇胺和二乙醇胺的组合，三乙胺和三乙醇胺的组合，N、N-二甲基乙醇胺和三乙醇胺的组合等。

优选地，所述水溶性聚酯与所述生物活性玻璃纤维的质量比为1:(1-2)，例如1:1、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8或1:2等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述正极极片与所述负极极片的之间的距离为5-10mm，例如5mm、10mm、6mm、7mm、8mm或9mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述电泳使用的电压为10-72V，例如10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V、45V、50V、55V、60V、65V或72V等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，所述电泳过程中，所述生物活性玻璃纤维延长轴方向平行排布。

优选地，所述第二保护层的干膜厚度为5-25μm，例如5μm、10μm、15μm、20μm或25μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述干燥的温度为80-100℃，例如80℃、85℃、90℃、95℃或100℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(3)所述热压成型的温度为120-150℃，例如120℃、125℃、130℃、135℃、140℃、145℃或150℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，步骤(3)所述热压成型的压力为1-2MPa，例如1MPa、1.2MPa、1.4MPa、1.6MPa、1.8MPa或2MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述具有双重保护层的医用含镁植入物通过对两层保护层以及整体结构的优化设计，不仅使植入物更有利于细胞粘附、生长、分化，进一步促进组织修复，还极大地降低了植入物中后期的腐蚀速度，避免了常规植入物力学性能下降较快，生产释放大量氢气从而导致器械安全性和有效性的问题；本发明所述具有双重保护层的医用含镁植入物在植入期间降解速率相对均匀，氢气生产速率相对稳定，具有较好的应用前景。

(2)本发明所述制备方法工艺流程简单，厚度可控，成本较低，生产效率高，适用于规模化生产。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

以下为本发明典型但非限制性实施例：

实施例1：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物由10片的含镁复合层层压得到；

所述含镁复合层为片状金属镁，包覆于所述片状金属镁表面的第一保护层，以及包覆于所述第一保护层表面的第二保护层；

所述第一保护层为铁涂层，厚度为0.55±0.05μm；

所述第二保护层的材质包括水溶性聚酯与生物活性玻璃纤维的组合，干膜厚度为11±1μm；

所述片状金属镁的规格为15mm×20mm×0.1mm(长×宽×厚)；

所述生物活性玻璃纤维的直径为20μm，长度为5mm，具体组成为40mol％P

所述生物活性玻璃纤维沿长轴方向平行排布。

本实施例还提供了一种上述具有双重保护层的医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将15mm×20mm×0.1mm的金属镁置于浓度为0.1mol/L的氯化亚铁溶液中进行置换反应，使金属镁表面包覆厚度为0.55±0.05μm的铁涂层；

(2)取10克NOVOC

接着，将步骤(1)得到的包覆有铁涂层的金属镁分别作为正极极片与负极极片插入电泳槽中，控制两个极片之间的距离为10mm，施加60V的电压，进行电泳，使铁涂层表面包覆第二保护层；

(3)将步骤(2)得到的含镁复合层静置晾干30min，再放入烘箱100℃继续干燥10min，得到第二保护层干膜厚度为11±1μm的含镁复合层，然后取5片含镁复合层层叠放置，在120℃、1MPa下热压10min，冷却至室温，得到具有双重保护层的医用含镁植入物。

实施例2：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)中将生物活性玻璃纤维的加入量由10g变为20g。

实施例3：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)中控制第二保护层的厚度为19±1μm。

实施例4：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中控制铁涂层的厚度为1.35±0.05μm。

实施例5：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例1中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：铁涂层的厚度为0.35±0.05μm。

实施例6：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例1中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：铁涂层的厚度为4.95±0.05μm。

实施例7：

本实施例提供了具有双重保护层的医用含镁植入物一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例1中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：第二保护层的厚度为6±1μm。

实施例8：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例1中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别在于：a将金属镁替换为镁合金，所述镁合金的组成为2wt％铝和98wt％镁；b.将铁涂层替换为锌涂层。

实施例9：本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例6中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：铁涂层的厚度为0.15±0.05μm。

实施例10：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例7中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：铁涂层的厚度为5.45±0.05μm。

实施例11：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例1中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：铁涂层的厚度为24±1μm。

实施例12：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例10中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：第二保护层的厚度为3±1μm。

实施例13：

本实施例提供了一种具有双重保护层的医用含镁植入物，所述具有双重保护层的医用含镁植入物参照实施例11中的具有双重保护层的医用含镁植入物，区别仅在于：第二保护层的厚度为30±1μm。

对比例1：

本对比例提供了一种医用含镁植入物，所述医用含镁植入物仅包括规格为15mm×20mm×0.1mm的金属镁。

对比例2：

本对比例提供了一种医用含镁植入物的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

①在规格为15mm×20mm×0.1mm的金属镁的表面喷涂水溶性聚酯与生物活性玻璃纤维的混合物；其中水溶性聚酯与生物活性玻璃纤维所用的材料以及加入量与实施例1中相同；

②静置晾干30min，再放入烘箱干燥10min，控制表面保护层的干膜厚度为11±1μm，得到具有单层保护层的镁片；取5片具有单层保护层的镁片层叠放置，在120℃、1MPa下热压10min，冷却至室温，得到医用含镁植入物。

1)析氢速度测试

I、对实施例1-13和对比例1-2所制得到的医用含镁植入物进行析氢速度测试

分别将所得医用含镁植入物浸泡在装有PSB溶液的烧杯中，并在烧杯开口处倒立放置一个漏斗，漏斗尾部连接倒置的滴定管，漏斗与滴定管内吸满PBS溶液。每7天记录滴定管刻度。

PBS溶液：0.1mol/L，pH：7.4±0.2，用0.1mol/L的氢氧化钠调节pH，温度：37±1℃。

氢析出速度的结果如表1所示。

表1

I、由表1可知，本发明实施例1-8所得植入物通过多层保护层的设计，以及保护层厚度的控制，其氢析速度远低于对比例1中纯金属镁的氢析速度；

II、从表1可以看出，通过实施例6-7与对比例9-11，验证了第一保护层厚度对氢析速度的影响，第一保护层过厚，植入降解缓慢，影响植入部位站位，过薄则不能有效保护镁基体，镁基体会过快降解；通过实施例1和10与对比例12-13，验证了第二保护层的影响，第二保护层过薄不能很好粘结，过厚则会影响植入物的强度；通过实施例1和对比例2可以看出，铁涂层有效缓释镁的前期降解，防止降解液过快接触金属镁，从而导致植入物快速析氢。

2)表面细胞繁殖测试

I.对实施例1-8和对比例2所制备得到的医用含镁植入物进行细胞繁殖测试

细胞与试样共培养：MC3T3-E1细胞在10％牛血清、100单位/ml青霉素和100mg/ml链霉素中。

培养条件：37±1℃，5％的二氧化碳培养MC3T3-E1细胞，培养基每2天更新一次。

细菌接种与共培养步骤如下：首先，共培养前对实施例1-8和对比例2所得试样进行灭菌处理，各组支架在75wt％的医用酒精中灭菌，并用紫外灯灭菌30分钟。然后，将灭菌处理的试样置于96孔板中后，将培养的第三代MC3T3-E1细胞等量接种到灭菌处理的试样上，接种密度为104个/孔，细胞与实施例1-8、对比例2样品共培养1、4以及7天后，采用CCK-8(Cell Counting Kit-8)试剂盒检测细胞活性，结果如表2所示。

表2

从表2可以看出，实施例1-8中，具有定向排列的生物活性玻璃纤维样品显示出更好的细胞活力。

综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述医用含镁植入物通过对多层保护层以及整体结构的优化设计，不仅使植入物更有利于细胞粘附、生长、分化，可进一步促进组织修复；而且在植入期间降解速率相对均匀，氢气生产速率相对稳定；所述制备方法工艺流程简单，厚度可控，成本较低，生产效率高，适用于规模化生产。

本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法，但本发明并不局限于上述产品和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。