CN101283936A - 局部网架结构人工关节假体及其制备方法 - Google Patents

局部网架结构人工关节假体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种局部网架结构人工关节假体及其制备方法，属于生物医学工程领域。本发明假体包括：假体柄、网架结构体，网架结构体包括金属钛板、金属钛纤维丝，金属钛纤维丝按照正交形、菱形或星形的形状编织，并烧结在金属钛板上，形成孔隙尺寸为200μm－1200μm的三维网架结构体，网架结构体的孔隙率为30％－60％。本发明先将金属钛纤维丝编织并烧结在金属钛板上，得到网架结构体，然后焊接在关节假体的预定部位。本发明既可以使得假体柄免受高温热处理工艺，保持良好的高强度力学性能，又可以获得合适的网架结构，为细胞、组织的长入提供空间，促进新生骨组织与宿主骨的长合，实现假体的生物固定，可应用于临床上关节损伤的修复。

Description

局部网架结构人工关节假体及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的人工关节及其制备方法，具体涉及一种局部网架结构人工关节假体及其制备方法。
背景技术
人工关节置换就是对因疾病或肿瘤造成的关节破坏进行修复，解除关节疼痛、畸形和功能障碍，重建一个功能接近正常的关节。目前，人工关节置换术，特别是人工髋关节和人工膝关节置换术，被认为是效果非常肯定的治疗方法。髋关节是受力复杂的负重关节，在负重情况下，同时承受拉、压、扭转和界面剪切力及反复疲劳、磨损的综合作用。因此，要求假体必须具有足够的强度和抗磨损、抗腐蚀的能力。目前，人工假体柄使用的主要材料均为金属材料，包括不锈钢、钴铬合金、钛及其合金。这些金属材料都具有良好的力学性能，植入人体后，能够满足患者日常行为活动过程中受力的要求。除了需要良好的力学性能，假体还必须能够与宿主骨长合在一起，形成生物固定。虽然钛及其合金具有良好的耐腐蚀性和生物相容性。但是，目前临床上使用的各种钛及其合金材料的假体在生物学性能方面仍然存在严重的缺陷，如：大块金属假体不能与人体软硬组织很好的长合。为了克服这一问题，假体的局部被尝试着制作成了多孔结构，以便为人体细胞、组织的长入提供空间，促进新生组织与假体的长合，实现生物固定。孔隙结构直接影响着组织的长入和新骨的形成。合适的孔隙结构(包括孔的尺寸、形状、分布、空间走向和相互连通性)有利于新骨组织的形成和再血管化。
等离子喷涂技术是目前普遍采用的一种在假体表面的局部制备多孔结构的方法。这一技术是采用等离子弧作为热源，将金属材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的工件表面而形成附着牢固的表面层的方法，属于高温热处理技术。在向假体表面喷涂金属粉末的过程中，由于高温的作用，假体本身的力学性能就会受到影响，导致假体力学性能的降低，置换到人体后容易发生断裂。而且，所制备的孔隙十分不规则，无法保证孔隙之间的相互连通性。因此，在不降低假体本身力学性能的前提下，构建假体表面局部规则的、相互连通的孔隙结构，为细胞、组织的长入提供空间，促进新生组织与假体的长合，具有重要的工程意义和临床应用价值。
经对现有技术文献的检索发现，申请号：87101194.8，公开号：CN1033559名称：《多孔层烧结面人工关节制造工艺》，该技术公开的是一种将球形颗粒直接烧结在假体柄上的一种制造工艺，这种工艺过程中的假体柄同样要受到高温的作用，从而影响假体柄本身的力学性能；全球著名的Zimmer公司开发的多孔结构人工关节假体(www.zimmer.com)，是采用等离子喷涂技术制备的一种局部多孔结构人工关节假体，假体柄的力学性能会受到高温的影响而有所降低。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种局部网架结构人工关节假体及其制备方法，使其克服现有制备人工关节假体表面多孔结构过程中损伤假体本身力学性能的不足，构建规则的、相互连通的孔隙结构，为人体细胞、组织的长入提供合适的空间结构，促进新生组织与关节假体的长合，实现假体的生物固定。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的局部网架结构人工关节假体，包括：假体柄、网架结构体，网架结构体焊接在假体柄的预设部位，形成局部网架结构的人工关节假体。
所述网架结构体包括：金属钛板和钛金属纤维丝，钛金属纤维丝按照正交形、菱形或星形形状编织排列，并烧结在金属钛板上，网架结构体的孔隙率在30％-60％，孔隙尺寸为200μm-1200μm。
所述钛金属纤维丝是钛及其合金纤维丝，其直径为50μm-500μm。
所述金属钛板是钛及其合金板，其长30mm～50mm、宽20mm～30mm、厚度3mm～5mm。
上述的假体中，假体柄的作用是承载受力，网架结构体的作用是为细胞、组织的生长提供空间，实现假体的生物固定。
本发明所涉及的局部网架结构人工关节假体的制备方法，包括如下步骤：
第一步，将钛金属纤维丝按照正交形、菱形或星形编织在一块钛板上，形成孔隙尺寸为200-1200μm的三维网架结构体，孔隙率在30％-60％；
所述钛金属纤维丝，其直径为50μm-500μm。
所述钛板，其长30mm～50mm、宽20mm～30mm、厚度3mm～5mm。
第二步，将上述具有钛丝编织结构的钛板置入真空烧结炉，进行烧结，入炉温度为室温，将炉温升温至1200℃-1400℃，烧结过程中向具有钛丝编织结构的钛板施加压力，保温、保压，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面网架结构的钛及其合金板；
所述烧结炉，其真空度为1×10-3Pa。
所述升温，其速度为5℃/min-10℃/min。
所述施加压力，其压力范围为2Mpa-5Mpa。
所述保温、保压，其时间为1h-2h。
第三步，利用激光焊接技术，将上述表面网架结构的钛板焊接在关节假体上的预定位置，形成具有高强度力学性能和局部表面网架结构人工关节假体。
与等离子喷涂技术制备的人工关节假体相比，本发明制备的局部网架结构人工关节假体不仅具有良好的孔隙结构，包括规则的孔形状、合适的孔尺寸以及孔隙之间完全的相互连通性，能够为细胞、组织的生长提供更加适合的空间结构，实现假体的生物固定，而且还很好的保护了假体本身原有的高强度力学性能。
本发明采取了分步式的制造工艺，将高温烧结工艺与装配工艺分开，先通过高温烧结工艺将钛金属纤维丝按照一定形状编织，并烧结在金属钛板上，形成具有三维网架结构的部件，然后，采用激光焊接技术，在不损伤假体本身力学性能的前提下，将所制备的三维网架结构部件焊接在关节假体的预定部位，形成具有高强度力学性能和局部网架结构的人工关节假体，可应用于临床上关节损伤的修复。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为网架结构体示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，以下实施例中的假体包括：假体柄1、网架结构体2，网架结构体2焊接在假体柄1的预设部位，形成局部网架结构的人工关节假体。
如图2所示，以下实施例中的网架结构体2包括：金属钛板3、钛金属纤维丝4。钛金属纤维丝4按照形状编织并烧结在金属钛板3上，形成三维网架结构体2。
所述钛金属纤维丝4编织形状为：正交形、菱形、星形等。
所述钛金属纤维丝4是钛及其合金纤维丝，其直径为50μm-500μm。
所述网架结构体2，其孔隙率在30％-60％。
所述金属钛板3是钛及其合金板，其长30～50mm、宽20～30mm、厚度3～5mm。
所述三维网架结构体，其孔隙尺寸为200-1200μm。
以下详细给出所述局部网架结构人工关节假体制备方法的实施例。
实施例1
首先将直径为50μm的钛金属纤维丝编织在一块长30mm、宽20mm、厚度3mm的钛板上，编织形状为正交网架结构，钛丝之间相距200μm；将上述具有钛丝编织结构的钛板置入真空烧结炉，进行高温烧结，烧结炉的真空度为1×10-3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至1200℃，升温速度为5℃/min，烧结过程中向具有钛丝编织结构的钛板施加5MPa的压力，保温、保压2h，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面网架结构的钛板；利用激光焊接技术，将上述表面网架结构的钛板焊接在人工关节假体上的预定位置，形成局部网架结构人工关节假体。实施例1对应的孔隙率(计算值)为52％。
实施例2
首先将直径为500μm的钛金属纤维丝编织在一块长50mm、宽40mm、厚度5mm的钛板上，编织形状为正交网架结构，钛丝之间相距1200μm；将上述具有钛丝编织结构的钛板置入真空烧结炉，进行高温烧结，烧结炉的真空度为1×10-3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至1400℃，升温速度为10℃/min，烧结过程中向钛丝编织结构的钛板施加2MPa的压力，保温、保压1h，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面网架结构的钛板；利用激光焊接技术，将上述表面网架结构的钛板焊接在人工关节假体上的预定位置，形成局部网架结构人工关节假体。实施例2对应的孔隙率(计算值)为36％。
实施例3
首先将直径为300μm的钛金属纤维丝编织在一块长40mm、宽30mm、厚度4mm的钛板上，编织形状为正交网架结构，钛丝之间相距700μm；将上述具有钛丝编织结构的钛板置入真空烧结炉，进行高温烧结，烧结炉的真空度为1×10-3Pa，入炉温度为室温，将炉温升至1300℃，升温速度为7.5℃/min，烧结过程中向具有钛丝编织结构的钛板施加1.5MPa的压力，保温、保压1.5h，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面网架结构的钛板；利用激光焊接技术，将上述表面网架结构的钛板焊接在人工关节假体上的预定位置，形成局部网架结构人工关节假体。实施例3对应的孔隙率(计算值)为43％。

Claims (9)

1、一种局部网架结构人工关节假体，其特征在于，包括：假体柄、网架结构体，网架结构体焊接在假体柄的预设部位，其中：
所述网架结构体包括：金属钛板、金属钛纤维丝，金属钛纤维丝按照正交形、菱形或星形的形状编织，并烧结在金属钛板上，网架结构体的孔隙率为30％-60％，孔隙尺寸为200μm-1200μm。
2、根据权利要求1所述的局部网架结构人工关节假体，其特征是，所述金属钛纤维丝，是钛及其合金纤维丝，其直径为50μm-500μm。
3、根据权利要求1所述的局部网架结构人工关节假体，其特征是，所述金属钛板是钛及其合金板，其长30mm～50mm、宽20mm～30mm、厚度3mm～5mm。
4、一种局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将钛金属纤维丝按照正交形、菱形或星形编织在一块钛板上，形成孔隙尺寸为200μm-1200μm、孔隙率为30％-60％的三维网架结构体；
第二步，将上述具有钛及其合金纤维丝编织网架结构的钛及其合金板置入真空烧结炉，进行烧结，入炉温度为室温，将炉温升温至1200℃-1400℃，烧结过程中向铺有球形粉末的钛及其合金板施加压力，保温、保压，其后将炉温炉冷却至室温，获得一种表面网架结构的钛及其合金板；
第三步，利用激光焊接技术，将上述表面网架结构的钛及其合金板焊接在关节假体上的预定位置，形成局部网架结构人工关节假体。
5、根据权利要求4所述的局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第一步中，所述钛及其合金板，其长30～50mm、宽20～30mm、厚度3～5mm。
6、根据权利要求4所述的局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第二步中，所述烧结炉，其真空度为1×10-3Pa。
7、根据权利要求4或6所述的局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第二步中，所述升温，其速度为5℃/min-10℃/min。
8、根据权利要求4或6所述的局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第二步中，所述施加压力，其压力范围为2Mpa-5Mpa。
9、根据权利要求4或6所述的局部网架结构人工关节假体的制备方法，其特征是，第二步中，所述保温、保压，其时间为1h-2h。
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