CN101385660A

CN101385660A - 一种可生物降解的颅骨修补体

Info

Publication number: CN101385660A
Application number: CNA2007100128058A
Authority: CN
Inventors: 任伊宾; 杨柯; 张炳春; 肖克沈; 杨慧宾; 郑丰
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-18

Abstract

本发明涉及医疗器械，具体地说是用于颅骨创伤及整形修复用的生物可降解镁合金修补体及骨螺钉。修补体及骨螺钉由可生物降解的纯镁或镁合金制成，修补体为0.03－0.2mm的薄板或薄片，其表面至少有2个固定用螺钉孔，修补体及骨螺钉表面通过表面改性或涂覆可降解生物活性涂层，具有可控的降解速率和良好的生物活性及相容性。本发明的可降解镁合金修补体及骨螺钉可用于人或动物的颅骨创伤和整形修复。

Description

一种可生物降解的颅骨修补体

技术领域

本发明涉及医疗器械，具体地说是用于颅骨创伤及整形修复用的生物可降解镁合金修补体及骨螺钉。

背景技术

颅骨是人体骨骼中最重要的部分之一，它保护和支撑了脑感受器，形成容纳脑的颅腔并支撑颅面。一旦发生颅骨损伤，不仅影响美观，而且会给患者带来不安全感，甚至引起颅骨缺损综合症、脑萎缩等多种不良后果应用。

颅骨缺损修复技术目前无论从基础研究还是临床，都获得了很大的发展，但到目前为止，尚未有一种理想的修复材料，既具有优良的力学性能和生物学相容性，同时还能引导缺损颅骨再生、愈合，并且自身可以完全降解或被吸收，从而实现生理性骨愈合，从审美和心理方面满足患者的需要。

颅骨修补已经历了人体骨、库存骨、异体骨、金属材料和非金属材料的过程。新鲜的自体骨是最好的颅骨修补材料，但来源有限，并需要另外手术取骨，因而难以推广；库存骨属死骨范畴，不能代替所有颅骨成形材料；异体骨有排斥反应，易引起骨瓣坏死和吸收，基本停用；非金属材料有有机玻璃、骨水泥及复合材料，有机玻璃坚硬，可加热塑性，取材方便，但对人体有刺激且时间久后易老化，难以达到满意效果；骨水泥塑形快，但对脑组织有刺激，术后易变形产生松动。常用的金属有钽(tantalum)、钛(titanium)合金板或不锈钢丝网，国内外均有采用，其塑型方便，组织反应轻，外观佳，是颅骨修补的好材料。但金属材料具有导热性，修补后局部温差大，患者有不适的灼热感，病人不适宜在太阳光下其他较热或较冷环境中长时间工作，同时常用的医用金属材料导电或导磁和不透X线，妨碍病人术后进行CT等检查。可降解高分子材料虽然可以作为颅骨修复使用，但是其力学性能相对欠佳，而且酸性的降解产物容易引发炎症等。

镁及镁合金虽然属于金属材料，但是其具有和人骨接近的密度和弹性模量。镁合金的密度为1.74g/cm³左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm³)极为接近，镁合金的杨氏弹性模量约为45GP，接近人骨的弹性模量20GPa左右。同时镁合金与可降解高分子和可降解陶瓷相比，有较高的强度和较好的塑韧性，而且镁是人体内仅次于钾的细胞内正离子，参与体内一系列新陈代谢过程，镁离子可促进钙沉积，利于骨组织的生长。更重要的是镁合金由于耐蚀性能较差，可以用作可降解材料。因此采用镁或镁合金材料作为颅骨修复材料，不仅可以利用其高的比强度和良好的塑韧性，而且可以逐渐降解，降解产物镁离子还可以促进骨组织的再生和愈合，同时不必担心其对术后检查及日光照射等麻烦。

镁合金作为植入材料的研究始于上世纪40年代，目前日本、德国、瑞士以及国内的中科院金属所、重庆大学等都研究降镁合金应用于可降解心血管支架及接骨板和骨螺钉方面，临床研究表明直径为3mm的镁合金试样可以在5个月内被完全吸收，直径为8mm的镁合金试样可以在11个月内被完全吸收。

在国内，中科院金属所自2004年以来在镁合金作为新型生物可降解植入材料方面开展了大量研究工作。在研究中发现镁合金降解过程中表面有类骨磷酸盐和新骨生成，随着镁合金的降解，磷酸盐层不断向新骨组织转变，表明镁合金具有非常好的骨组织相容性和诱导骨组织生长特性，非常适宜制作骨折内固定用接骨板及骨螺钉。本发明人所在项目组就可降解镁合金植入材料已经申请相关专利“可控降解生物医用金属植入材料及其应用”(专利号：200510046360.6)，“可控降解速率的生物医用植入材料及其应用”(200510046359.3)，“生物医用可控降解吸收高分子金属复合植入材料及其应用”，(200510047093.4)。尽管申请专利里已经申请保护了可降解镁合金材料的用途，但是并没有将镁合金作为可完全吸收颅骨修复材料或其制作的修复体及特征进行权利保护。

发明内容

本发明的目的是提供一种可生物降解的颅骨修补体，由修补体和若干骨螺钉组成，具有可控的降解速率和良好的生物活性和相容性，可以引导缺损颅骨再生、愈合，并且自身可以完全降解或被吸收。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

修补体及骨螺钉由生物可降解的纯镁或镁合金加工而成，修补体为0.03-1mm的薄板，其板面上至少有2个固定用螺钉孔，修补体及骨螺钉表面通过表面改性或涂覆可降解生物活性涂层，具有可控的降解速率和良好的生物活性和相容性。

镁及镁合金的耐蚀性能较差，尤其是在富含Cl^-离子的人体生理环境中更是如此，常用纯镁及镁合金在模拟体液中，腐蚀降解速率可达到0.1-2mm/year，因此纯镁季镁合金用作可降解外科植入材料。本发明所述纯镁为医用纯镁或高纯镁，镁合金为镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金、或镁银系列合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系和多元系镁合金。代表性合金如AZ31、AZ61、AM60、AM50、AE21、WE43、AS21、LA91、ZK21、ZK60、QE22等。对于纯镁及镁合金而言，其在模拟体液或体液中的腐蚀降解速率可以通过改变材料本身的成分，晶粒尺寸、热处理状态及表面状态等条件控制在0.01-5mm/year。

上述镁合金中合金元素的含量基本上应满足生物医用的要求，使其在降解过程中的降解量应在不引起组织毒性反应的剂量范围内，镁合金中Al的重量含量<10％，Zn、Mn、Si或RE的重量含量≤5％、Zr的重量含量≤1％；Li的重量含量≤9％，Ca的重量含量≤3％，Ag的重量含量≤3％。

镁合金颅骨修补体采用厚度为0.03-1mm镁合金薄板或薄片制作，表面通过激光切割或机加工的方法开孔和切缝。镁合金颅骨修补体表面均匀分部的许多孔径在0.01-2mm的孔或0.02-1mm的缝隙，便于修补体两侧组织液的交换，并且镁合金颅骨修补体表面均匀分部有许多孔径在1-2mm的孔，便于骨螺钉的固定。由于修补体较薄而且螺钉固定孔和其他交换孔的均匀分布，修补体可以按照患者创伤大小或缺损修复形状进行裁剪和塑型而不影响其功能。

同时为了改善其生物相容性及降解速率，镁合金颅骨修补体及骨螺钉表面可以通过离子注入、热喷涂、溅射、化学或电化学方法进行表面改性。镁合金颅骨修补体及骨螺钉表面还可以涂覆一层可降解的生物活性陶瓷材料，如钙硅基可降解生物活性陶瓷(如硅酸钙等硅酸盐)、非化学计量磷灰石或磷酸三钙，或它们与生物降解高分子材料组成的复合物，硅酸钙、磷灰石或磷酸三钙于复合物中的质量含量为10-50％，以改善修补体的生物相容性和骨组织诱导性能。

本发明所提供的可完全降解吸收的颅骨修补体及骨螺钉可用于人或动物的颅骨创伤和整形修复。

本发明具有如下优点：

1，比强度高。相对可降解高分子材料而言，镁合金材料制作的颅骨修复体具有较高的比强度，可有效保护脑组织。而且可以利用金属的塑性，随时改变修复体的形状，并且保持塑型后的状态，避免出现塌陷等现象。

2，骨组织诱导特性。可降解纯镁及镁合金在体外模拟体液中研究表明可逐渐生成富镁的类骨磷酸盐，在动物试验中也发现镁合金有促进和诱导骨组织生长的特性，同时本发明结合可降解生物活性陶瓷良好的生物相容性和诱导骨组织的优点，一方面有效地控制了修补体的生物降解吸收速度，同时使修复体具有更好的生物相容性和骨组织诱导生长特性。

3，安全、实用性好。镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素，成人每人每日需要量大于350mg，它参与体内一系列新陈代谢过程。可降解镁及镁合金在体内生理环境下最终被腐蚀降解并被机体吸收或代谢，其降解产物主要是人体所需的镁离子，镁是人体所需常量元素，所含其他合金元素含量均在生物医用范围之内，所选用的可降解高分子材料也是目前临床上常用的，因此采用本发明处理后的纯镁及镁合金制备可控降解医用植入器件是安全的，具有很大的优势和应用前景。

附图说明：

图1 为本发明实施例1结构示意图，可降解修补体的厚度为0.2mm，表面对称分布着0.02mm孔径的小孔和0.02mm宽2mm长的缝隙，用于修补体两侧组织液的交换，同时均布2mm孔径的螺钉孔用于固定。

图2 为本发明实施例2结构示意图，可降解修补体的厚度为0.08mm，表面对称分布着呈三角形排列的0.01mm孔径的小孔，用于修补体两侧组织液的交换，同时均布1.5mm孔径的螺钉孔用于固定。

图3 为本发明实施例3结构示意图，可降解修补体的厚度为0.1mm，表面对称分布0.03mm宽3mm长的缝隙，用于修补体两侧组织液的交换，同时缝隙间分布着2mm孔径的螺钉孔用于固定。

图4 为本发明实施例4结构示意图，可降解修补体的厚度为0.05mm，表面均匀分布着的0.02mm孔径的小孔和1.5mm孔径的螺钉孔，分别用于修补体两侧组织液的交换和修补体的固定。

图5 为本发明实施例5结构示意图，可降解修补体的厚度为0.1mm，表面对称分布的0.02mm宽4mm长的缝隙呈正方形排列，其中有呈十字排列着0.02mm孔径的小孔，用于修补体两侧组织液的交换，同时在缝隙端头交会处分布有2mm孔径的螺钉孔用于固定。

图6 为本发明实施例6结构示意图，可降解修补体的厚度为0.06mm，表面对称分布半径为5mm的半园弧形缝隙，在弧形内分布有0.02mm孔径的小孔，用于修补体两侧组织液的交换，同时交替分布着1.5mm孔径的螺钉孔用于固定。

图中：1为修补体，2为螺钉孔，3为交换孔，4为骨螺钉。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明由颅骨修补体和若干骨螺钉组成，修补体及骨螺钉由可生物降解的纯镁或镁合金制成，修补体为0.03-1mm的薄板，镁合金颅骨修补体表面均匀分部的许多孔径在0.01-2mm的孔或0.02-1mm的缝隙，便于修补体两侧组织液的交换，并且镁合金颅骨修补体表面均匀分部有许多孔径在1-2mm的孔，便于骨螺钉的固定。

实施例1：

采用0.2mm厚的AZ31B合金薄片制作成可降解修补体，如图1所示，经表面清洗后，修补体浸泡在5％磷酸氢二纳水溶液中浸泡2小时，通过化学反应在其表面生成一层磷酸盐，改善其表面性能。

实施例2

将0.08mm厚的ZK60镁合金薄片加工成可降解修补体，如图2所示，表面清洗后，将修补体浸泡在中性富钙的磷酸盐溶液中浸泡3小时，使其表面形成类骨磷酸盐层，改善组织相容性。

实施例3

将0.1mm厚的AZ21镁合金薄片制作成可降解修补体，如图3所示，经表面清洗后，通过离子注入方法在其表层掺杂氮离子和钙离子，表层厚度在0.005mm左右，表面注入氮元素后可改善修补体的表面性能和腐蚀降解速度。

实施例4

将0.05mm厚的WE43镁合金薄片加工成可降解修补体，如图4所示，经表面清理后，将修补体浸泡在中性富钙的Hank’s模拟体液中浸泡5小时，使其表面形成类骨磷酸盐层，改善组织相容性。

实施例5

将0.1mm厚的AZ91合金薄片加工成可降解修补体，如图5所示，经表面清理后，采用热喷涂方法在镁合金修补体表面喷涂厚4μm的磷灰石层，改善接骨板表面的骨诱导性能。

实施例6

与实施例5不同之处在于：

修补体材料为为0.06mm厚的AE21镁合金薄片，如图6所示，表面热喷涂层为5μm的磷酸三钙。

Claims

1、一种可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体和骨螺钉均由可生物降解的纯镁或镁合金制成，修补体为0.03-1mm的薄板，其板面上至少有≥2个用于固定的螺钉孔，骨螺钉穿套于螺钉孔内，修补体及骨螺钉表面通过表面改性和/或涂覆可降解生物活性涂层，具有可控的降解速率和良好的生物活性及相容性。

2、按照权利要求1所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：所述镁合金为镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金和/或镁银系列合金，镁合金中合金元素的含量应满足生物医用的要求范围内，使其降解产物不会引起组织毒性反应，其中铝Al的重量含量<10％，Zn、Mn、Si或RE的重量含量<5％、Zr的重量含量<1％；Li的重量含量<9％，Ca的重量含量<3％，Ag的重量含量<3％。

3、按照权利要求1所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体厚度为0.03-0.2mm。

4、按照权利要求1所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体表面均匀分部有孔径在0.01-2mm的孔或0.02-1mm的缝隙，构成交换孔，便于修补体两侧组织液的交换。

5、按照权利要求1所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体表面均匀分部有孔径在1-2mm的螺钉孔，便于骨螺钉的固定。

6、按照权利要求1、2、4或5所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体可以按照所需大小或形状进行裁剪和塑型而不影响其功能。

7、按照权利要求1所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体及骨螺钉表面可以通过离子注入、热喷涂、溅射、化学或电化学方法进行表面改性，改善其生物相容性及降解速率。

8、按照权利要求1或7所述的可生物降解的颅骨修补体及骨螺钉，其特征在于：修补体和骨螺钉表面可涂覆一层可降解生物陶瓷材料，改善其生物相容性或骨组织诱导性能；

所述可降解生物陶瓷为硅酸钙、磷灰石或磷酸三钙，或它们与生物降解高分子材料组成的复合物，硅酸钙、磷灰石或磷酸三钙于复合物中的质量含量为10-50％。