CN101416906A - 医用金属人工骨小梁的制备及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用金属人工骨小梁的制备及应用，通过计算机完成金属人工骨小梁的结构设计后输入电子束熔融成型设备中，利用电子束所产生的高温对成型设备内的钛合金粉末进行分层扫描、高温熔融，制成具有生物松质骨形态、强度及弹性模量、多孔结构形成粗糙疏松外表面的金属人工骨小梁，其力学和生物学特征类似人骨，表面摩擦系数高、结构稳定，应用范围广泛，适用于人体骨骼系统中的各种骨缺损、骨填充、骨支撑、骨再造及骨整形，也可用于人体各骨关节的骨再造及骨整形手术的骨修复治疗。

Description

医用金属人工骨小梁的制备及应用

所属技术领域

本发明涉及医学骨科医用材料技术领域，具体说涉及到一种医用金属人工骨小梁的制备及应用。

背景技术

众所周知，在临床医学骨科手术中，骨修复、骨填充和骨支撑是常用的治疗手段，由于骨肿瘤、椎间盘病变、骨关节炎及创伤等多种病因导致的骨缺损是临床上非常常见，病变部位涉及人体骨骼系统中各个部分，包括颅骨，躯干骨，四肢骨及关节。在各种需要植骨治疗的手术中，有的需要进行骨缺损部位的填充治疗以恢复骨的连续性和骨容量，有的需要进行结构骨植骨以起到支撑稳定或融合作用，有的需要进行再造或整形以达到修复的目的。植骨来源又分为自体骨或异体骨。由于自体骨再生能力强、愈合快，无免疫排异反应，是最可靠的植入骨体，但由于自体骨来源有限，增加了病人的副损伤及感染风险。而异体骨虽然来源丰富，但经过处理后，其原有的机械强度降低，各种性能有所改变，需要长时间的骨整合及爬行替代完成修复，影响治疗效果。并且异体骨移植可能导致其他疾病的传播，缺乏安全性。因此，研制治疗骨缺损替代用的人工骨一直是本领域急需解决的课题。近年来，随着医疗科学技术的进步及医学材料的不断发展，在治疗骨缺损手术中进行骨填充、骨修复、骨支撑及骨移植方面使用各种人工替代骨已经成为现实，如利用磷酸三钙材料浸渍生长因子溶液形成的复合人工骨、用聚乳酸、珍珠粉及氯化钠为原料烧制而成并可降解的复合人工骨等等，这些人工替代骨的性能虽然较某些单一成分的代用材料有所改善，但大多仍存在着治疗效果不稳定、制造工艺复杂及成本高昂的问题，尤其是这些人工替代骨的主要材料是用磷酸三钙与脱水脱钙的骨粉明胶混合制成或用碳酸钙配以其它高分子材料等制成，虽然其无机成分接近骨，但属于非活性的无机化合物，植入骨体后可以起到支架的作用，不能诱导骨细胞生长，力学性能差，不能起到良好的支撑作用，并且骨体生长缓慢，耗时长，影响治疗效果。除了利用生物材料制备人工替代骨外，现在金属制备的人工替代骨也得到了应用，在本领域也称为医用金属人工骨小梁，常用不锈钢、钛合金及钴铬钼合金等材料制造，由于这些材料具有良好耐磨性、耐腐蚀性和优良的力学特性及生物相容性好而得到了更加广泛的应用，例如中国专利20081011686.6就公开了一种用于股骨头坏死的金属骨支撑器，利用电子束熔融成型设备中发出的电子束将设备内的钛合金粉末扫描熔融成具有类似生物松质骨强度及弹性的金属人工股骨头部件，对人体骨股头坏死部分进行骨缺损置换或骨移植，从而减缓股骨头坏死塌陷速度，起到体内金属骨支撑器的作用。而现在，如何利用电子束熔融技术将钛合金粉末扫描熔融成可广泛应用到各种骨缺损部位，以达到修复、填充、支撑、再造及整形功能的医用金属人工骨小梁是本领域面临的新任务。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能与人体骨产生生物性结合、具有多孔、表面摩擦系数高、结构稳定、力学性能类似人骨、与人体骨匹配性强、允许骨细胞长入并与人体细胞生长结合稳定的医用金属人工骨小梁，并可广泛应用到人体骨骼系统，包括颅骨，躯干骨，四肢骨的各种骨缺损、骨填充、骨支撑、骨再造及骨整形手术的临床治疗。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种医用金属人工骨小梁的制备及应用，根据骨小梁具有的功能结构及形状特点，通过计算机完成金属人工骨小梁的结构设计，将设计完成的信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，利用电子束所产生1800℃以上的温度对成型设备内的钛合金粉末进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成型，其特点是，成型后的金属人工骨小梁本体具有类似生物松质骨形态特征、强度及弹性模量，其表面具有多孔结构形成粗糙和疏松的外表面，孔径为50—900微米，孔隙率为40—90％；应用于人体骨骼系统中的各种骨缺损、骨填充、骨支撑、骨再造及骨整形。

上述金属人工骨小梁的形状可以是六面体、圆柱体、类圆柱体、球形体、圆锥体及多面几何体，也可以是任意形状的异形体。

上述所述金属人工骨小梁可以用于髋臼骨缺损，膝关节骨缺损，椎体间植骨融合，颅骨缺损，颌面部骨缺损及骨盆骨缺损的填充、支撑及修复。

上述所述金属人工骨小梁还可以用于人工关节的置换及翻修手术以及骨整形手术的骨修复。

本发明的工作原理是首先根据所需金属人工骨小梁应具有的功能结构及形态特点，通过计算机完成结构设计，然后将设计完成的金属人工骨小梁信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，成型设备内的电子枪发射的高能电子束通过聚焦线圈、偏转线圈后，扫描到工作舱均匀铺设的钛合金粉层上，根据图文数据由计算机控制，在需要成型的点部位产生1800℃以上的高温使金属粉末熔融，当一层粉末处理完毕后再铺一层新的粉末进行扫描熔融，逐渐堆积成型，制成金属人工骨小梁；通过电子束熔融成型设备使用微细钛金属粉末直接制造出的金属人工骨小梁，其特点是金属人工骨小梁本体致密结构和多孔结构完美结合，并且孔隙大小及孔隙率可以按要求进行调整，实现了金属人工骨小梁在不同支撑修复部位具有不同的材质密度和疏松度，既保证了骨小梁代用骨强度，又有利于其表面进行骨长入形成生物固定。金属人工骨小梁内部间隙结构可控的孔隙率为40—90％，其外表面为多孔结构的粗糙面，具有较高的摩擦系数，具有植入后初始的稳定性。在手术中，将金属人工骨小梁植入人体后，骨组织可通过金属人工骨小梁上具有的多孔结构、粗糙外表面上的孔隙向内生长，形成内长入结构，与人体骨组织有机结合为一个整体，达到真正的生物固定，增强了代用骨植入的稳定性，无植入材料溶解吸收的弊端，减小了手术难度，提高了手术质量。

采用上述电子束熔融制备金属人工骨小梁，其表面具有能使骨长入的多孔结构，力学和生物学特征类似人骨，表面摩擦系数高、结构稳定。尤其是其应用范围广泛，不但可以用于脊椎间、髋臼、膝关节、颅骨、颌面、及骨盆的骨缺损支撑修复，还适应人体骨骼系统中包括，躯干骨，四肢骨的骨缺损修复，骨填充修复和骨支撑修复，也可用于人体各骨关节的骨再造及骨整形手术的骨修复治疗，达到了发明目的。

具体实施方式

下面结合实施例详述本发明；

实施例 脊椎椎体间植骨融合修复用金属人工骨小梁

根据脊椎椎体间骨缺损的结构及形状特点，制备脊椎椎体间金属人工骨小梁，首先通过计算机完成脊椎椎体间金属人工骨小梁结构及形状设计，将设计完成的金属人工骨小梁的信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，利用电子束所产生1800℃的温度对成型设备内的钛合金粉末进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成所需要的六面体形状，整体具有类似生物松质骨形态、强度及弹性模量，其表面具有多孔结构形成粗糙和疏松的外表面，孔径平均为500微米，孔隙率为60％。

按照实施例的制备方法，金属人工骨小梁还可对髋臼骨缺损、膝关节骨缺损，颅骨骨缺损，颌面骨缺损及骨盆骨缺损进行支撑修复，将不同病变部位进行CT扫描重建，获得缺损部位的三维结构图，根据缺损部位的需要设计出不同形态、密度及孔隙率的金属人工骨小梁异形体，以便适应各类骨缺损的修复。此外还可将金属人工骨小梁与人工关节面相结合，制造出用于各种严重畸形的人工关节初次置换及翻修假体。

Claims (4)

1.一种医用金属人工骨小梁的制备及应用，根据骨小梁具有的功能结构及形状特点，通过计算机完成金属人工骨小梁的结构设计，将设计完成的信息资料输入计算机控制的电子束熔融成型设备中，利用电子束所产生1800℃以上的温度对成型设备内的钛合金粉末进行分层扫描、高温熔融，直至堆积成型，其特征在于：成型后的金属人工骨小梁本体具有类似生物松质骨形态特征、强度及弹性模量，其表面具有多孔结构形成粗糙和疏松的外表面，孔径为50—900微米，孔隙率为40—90％；应用于人体骨骼系统中的各种骨缺损、骨填充、骨支撑、骨再造及骨整形。

2.根据权利要求1所述的金属人工骨小梁的制备及应用，其特征在于：上述所述金属人工骨小梁的形状可以是六面体、圆柱体、类圆柱体、球形体、圆锥体及多面几何体，也可以是任意形状的异形体。

3.根据权利要求1所述的金属人工骨小梁的制备及应用，其特征在于：上述所述金属人工骨小梁可以用于髋臼骨缺损，膝关节骨缺损，椎体间植骨融合，颅骨缺损，颌面部骨缺损及骨盆骨缺损的填充、支撑及修复。

4.根据权利要求1所述的金属人工骨小梁的制备及应用，其特征在于：上述所述金属人工骨小梁还可以用于人工关节的置换及翻修手术以及骨整形手术的骨修复。