[发明专利]聚合物基和表面处理的金属杂化材料及其制作方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年7月14日递交的美国临时申请系列号61/225279的益处，其通过引用以其全部结合到本文中。

发明背景

植入物非常频繁地用于外科手术、矫形外科、牙科及其它相关应用包括组织工程。对于植入物的一个重要问题是，由于生物力学和生理需要，植入材料应具有一定机械强度或弹性以结合到靶组织和解剖区域。而且，还期望降解性或者可能的甚至掺入药理学或治疗学活性剂。

用于植入物的几种不同材料包括金属已经得到使用。金属植入材料在韧性、延性和抗疲劳性方面通常是有利的。另一方面，它们通常比自然骨更坚硬，导致应力遮蔽(stress shielding)。应力遮蔽现象基于植入材料如果比周围组织更坚硬则承受更多机械负荷的效应。这导致对自然骨组织“遮蔽”机械负荷，触发骨的再吸收过程。

患有矫形外科骨折或畸形的患者有时用外科手术植入的金属材料治疗。用于骨折固定术或全关节装置的最常见金属材料为医疗级不可降解金属比如不锈钢、钛和钴-铬基合金。用于骨折固定术和全髋部置换术的现有永久性金属植入物由于这些金属植入物与自然骨之间的机械性能不匹配通常可引起应力遮蔽效应。也就是说，由于这些金属植入物与自然骨之间的机械性能不匹配，在使用这些不可降解的永久性金属植入物中的主要障碍是它们可引起应力遮蔽效应，从而导致植入物周围的骨损失。经历矫形外科程序比如骨折固定术的患者通常在进行治疗之后经历二次手术以避免该术后并发症。

聚合物植入物有时用作金属植入物的替代物。然而，现有的聚合物植入物通常不具有合适的机械强度以经受承载条件。

可生物降解的金属植入物比如镁合金已经不时得到使用。然而，除了机械性能不匹配和生物相容性不佳，镁合金呈现植入后的快速降解速率和氢气积聚的问题。快速腐蚀导致大量镁离子释放，以及大体积的氢气产生。如在以下反应(1)-(3)中所显示的那样，如果腐蚀速率增大导致镁离子增大。因此，形成氢氧化镁，并产生氢气。人体本身能够吸收少量的氢气。

有时应用合金化改性方法以试图改善镁合金的抗腐蚀性。尽管合金化可改善镁合金的抗腐蚀性，该项技术由于使用稀土金属比如铈和钇可引入生物毒性。另外，与活细胞的相容性仍是问题。镁合金的机械性能比其它金属材料比如钛合金和不锈钢的那些机械性能更接近于人的自然骨。然而，在镁合金与自然骨之间从整体机械性能来说仍存在差异。

反应(1)：H₂O→H⁺+OH^-

反应(2)：2Mg→Mg²⁺+2e^-

反应(3)：Mg+2H₂O→Mg(OH)₂+H₂

用于矫形外科植入物的现有材料的每一种均呈现潜在有害的问题。因此，本领域存在对改进材料的需要，该材料可用作矫形外科及其它医学应用中的植入物以及用于其中需要传统金属或塑料的耐用替代物的其它非医学应用中。

发明简述

本发明涉及基于可生物降解聚合物和表面处理的可生物降解金属材料的新型杂化材料及其制作方法。这些新型杂化材料能够处理常规可生物降解材料(包括镁基材料)在矫形外科应用中的并发症，比如整体机械性能不匹配、生物相容性不佳、快速降解和降解时的氢气释放。除了提高生物相容性，对于题述发明的材料，降解过程可通过控制聚合物材料的化学和金属材料的表面处理及它们在形成杂化材料时的比率而得到操控。题述发明的新型材料和方法具有几种应用，包括(但不限于)矫形外科植入。

在一个实施方案中，杂化材料可包含：可生物降解聚合物；表面处理的可生物降解金属材料；和化学键合于表面处理的可生物降解金属材料和可生物降解聚合物的硅烷偶联剂。

在另一个实施方案中，制作包含可生物降解聚合物和可生物降解金属材料的杂化材料的方法可包含：在可生物降解金属材料上实施表面处理过程；将可生物降解聚合物溶解于有机溶剂中形成溶液；在已经实施表面处理过程之后向溶液中加入可生物降解金属材料；对溶液进行超声处理；干燥溶液以得到预杂化材料；和对预杂化材料实施热处理过程。

又一个实施方案为制作包含可生物降解聚合物和可生物降解金属材料的杂化材料的方法，其中方法可包含：在可生物降解金属材料上实施表面处理过程；通过热处理熔化可生物降解聚合物以得到聚合物熔体；向聚合物熔体加入可生物降解金属材料以形成预杂化材料；在第一方向和第二方向剪切预杂化材料；和沿着第三方向压缩预杂化材料以得到杂化材料。