CN101474425A - 人造金属海绵骨及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人造金属海绵骨及其制造方法，它包括与生物兼容的高分子化合物，另可树脂化的糠醇构筑成具有高度互联通性的三维多空结构支架，该支架表面有与生物兼容的金属薄层。具有接近于人体松质骨的力学强度和柔量。本发明的优点是该人造金属海绵骨具有很好的生物兼容性，植入人体后不会引起排斥反应或毒副作用。

Description

人造金属海绵骨及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种能够和宿主真骨快速彻底结合的骨植入材料及其制造方法。

【背景技术】

骨骼损伤是人们生活中最常见的住院病种之一，中国每年仅髋部骨折的患者就有约100万人，在很多情况下骨骼损伤已经成为患者，尤其是老年患者，致残致死的主要原因。常见的骨科手术有骨折内外固定，关节置换，脊柱矫正，手外伤，骨质疏松，骨肿瘤治疗等。在这些手术中都大量需要植入骨骼替代材料用来达到固定相关的被植入的医疗器械，替换病变的骨质等治疗目的。

现有的各种骨植入材料主要有：生物类材料、生物陶瓷类材料、合金材料以及聚合物类材料。生物类材料主要指同种异体骨和异体异种骨。两者都存在免疫原性和传播疾病隐患的问题。同种异体骨来源有限，而异种骨材料疏松易碎，机械强度差。这些都限制了生物类材料的应用。生物陶瓷类材料由于脆性较大和很快被吸收仍不尽人意。合金材料包括钛合金不具有空隙，和宿主真骨的结合性差，不利于植入体的稳定。现有的表面处理技术不能有效的改善合金材料的这个弱点。聚合物类材料有细胞吸附力较弱，可引起无菌性炎症，机械强度不足等缺陷。

中国专利文献公布了一种“多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法”(申请号200410049229.0)，该发明是有关于一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其步骤大致包括(a)提供一动物的海绵骨；(b)将该海绵骨经加热处理以去除有机质；(c)将该经去除有机质的海绵骨浸泡于磷酸盐水溶液中；以及(d)经干燥后，以600-900℃高温烧结，而得多孔隙陶瓷骨骼填充材料。依本发明的制造方法，可以产制β-TCP/DCP两相或DCP单相多孔隙陶瓷骨骼填充材料，此一多孔隙陶瓷材料适合做为骨缺陷的填充材料。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种生物兼容的骨植入新材料。是一种能够快速和宿主真骨结合的骨植入材料，称为人造海绵骨。

本发明采用的技术方案是首先制作具有高度互联通性的三维多空结构。可采用的技术有静电纺，包括3—D打印在内的快速成型(rapid prototyping)技术，把与生物兼容的高分子化合物构筑成具有多微孔的三维立体结构。另一种技术可采用化学合成技术，包括热解反应，把可树脂化的糠醇(furfuryl alchohol)加工成具有多微孔网状碳纤维泡沫。这两种技术都能制造空隙率高达90％以上，空隙大小小于1毫米的，并且空隙高度互联的三维支架。

在得到了支架材料之后，可以通过化学气相沉积(ChemicalVapor Deposition，CVD)技术在支架表面喷涂一层生物兼容的薄层。薄层的材料可采用惰性金属，包括钽、铌、钛及其钽合金、铌合金、钛合金。金属涂层技术还包括熔融态电镀，真空离子溅射(Cold Sputtering)，热熔蒸气沉积(Thermal Evaporation)。采用的包括钛、钽、铌金属材料已经由药监部门批准可用于人体植入，并且已被证明具有很好的生物兼容性，植入人体后不会引起排斥反应或毒副作用。

研究已经证明骨植入材料的孔隙互联性是决定骨植入材料能否和宿主真骨成功结合的决定性因素。高度互联的微孔结构有利于周围骨细胞的迅速爬入到整个骨植入体，而不和周围空隙充分互联的所谓“死胡同”则不利于骨细胞全面占据骨植入体，不利于骨植入体和宿主骨的结合。骨植入材料的孔隙大小也非常重要，孔隙过小将阻碍骨细胞的爬入生长，空隙过大则不能给骨细胞提供类似于真骨的三维立体环境，不利于骨细胞生长及制造骨矿物质。适当的空隙(150微米以上)能有促进毛细血管的长入和骨质的生长。

本发明由于采用了可控技术来制造三维支架，并在支架上喷涂薄层的技术，本发明的孔隙互联性可以达到100％，孔隙的大小也可以通过调节支架孔隙的大小或是调节支架表面涂层的厚度来轻易的改变。人体骨骼不同部位松质骨的结构和孔隙大小是不同的，当植入骨材料的空隙大小和人体松质骨的孔隙大小近似时，更加有利于植入骨和松质骨的融合。本发明材料的孔隙大小可以通过调整生产工艺而改变。这个特性非常有利于根据植入部位松质骨的空隙大小来制造具有近似空隙大小的个性化的骨植入材料，以适应不同骨骼部位的植入。

在很多医疗用植入体(例如人造关节假体，义齿的固定牙根)的使用中，植入体和周围的骨质快速充分的结合以固定植入体是手术成功的关键。现有的技术多通过等离子喷涂(plasma spray)，微观烧结(microscopic sinterlng)等方法在植入体表面制造一层微观不平整涂层，用来达到增加表面摩擦系数，提高和骨质结合强度的目的。然而这些表面处理技术制造的微观结构不具备孔单元高度互联，高度规则的性质，也不是真正的三维的立体构造，而是更近似于一个二维平面。所述发明的多孔结构是孔单元高度互联，高度规则的三维立体构造。孔单元的高度互联性和三维立体性是决定人造骨质和真骨融合程度的主要因素，因此在医疗中植入体如果使用本发明材料，将加快并加强这类植入体的固定，加快病人手术后的恢复过程，减少因为植入体不稳定而造成的手术失败。

一个对骨植入体的重要要求是必须避免受力集中于植入体，造成植入体周围宿主真骨不在承受原有的压力的现象，即所谓的的应力屏蔽效应(stress shielding)。应力屏蔽效应会造成原有真骨骨质流失，导致骨质疏松。和其他金属实体骨植入体不同的是，本发明材料的多空结构在支架表面有一层完整的三维涂层。这层涂层能够作为一个有机的整体来承受外来的压力，并能够将外力均匀的分布到整个多孔结构的各个部分。因此以本发明材料所制成的骨植入体虽然会具有较人体松质略高的力学强度，但是却能把植入体所受外力均匀的分散到骨植入体的周围的宿主原有骨骼以及在植入体内的新生骨，从而避免了应力屏蔽效应的产生，达到既能保持周遭原有骨骼的健康，又能同时通过均匀分配到植入体内的外力促进新生骨的生长的作用。

优良的骨植入材料应当同时具有接近于人体松质骨的力学强度和柔量。现在常用的骨替代材料包括生物玻璃(bioglass)，生物陶瓷，高分子等材料。生物玻璃虽然具有较好的抗压性，但是其弯曲强度较弱，易折断。而陶瓷材料虽然力学强度高但是容易碎裂。高分子材料则一般不具有足够的力学强度。本发明当采用惰性金属作为涂层材料时则较以上材料有很大优势。金属同时具备了较高的力学强度和优良的韧性。当以钛，钽，铌或其合金作为表面涂层材料时，所述发明也继承的金属力学强度高，延展性好，不易碎裂的品质，是优良的骨替代材料。

一个骨植入体能否和宿主真骨充分结合的关键点还在于植入材料能够被准确加工成植入创口的几何形状，从而达到植入体和周围人体真骨紧密相接的效果，以便于真骨中的骨细胞爬入植入体沉积骨矿质。本发明材料采用惰性金属涂层时，由于同时具备了较高的力学强度和优良的韧性因此非常利于机械加工。所述发明材料可以被加工成为各类的复杂几何形状而不会碎裂。因此利用本发明材料加工而成的骨植入体可以很好的吻合植入创口的形状，达到植入体和宿主真骨充分接触的效果。同时由于其良好的机械加工性，本发明材料是用于制造关节假体，植入式牙根，脊椎固定器，骨钉等骨科牙科产品的理想材料。

【附图说明】

图1.A)本发明材料具有高度互联的多孔碳纤维结构的整体外观，B)单个互联单元的具体构像，孔径的大小可以根据需要调节。C)金属泡沫材料示意图，

图2.(A)组织工程人造软骨被固定于由本发明材料制作的基质上的示意图；(B)植入狗膝关节示意图；(C)植入关节X光图像；(D)组织切片显示宿主真骨与本发明材料制作的基质融合示意图。

【具体实施方式】

实施例1本发明材料的结构

1、将糠醇同过热解反应(pyrolize)形成多孔网状碳纤维泡沫状聚合物，做为金属海绵的结构支架，并大致确定其孔径人小。

2、利用化学气相沉积(CVD)对上述支架进行渗透金属涂层，涂层材料包括钽、钛、铌具有良好生物相容性的金属。根据涂层的厚度可以进一步调整单位元孔径的人小。

3、根据不同的要求将金属海绵加工成不同的人工关节假体或其他骨骼修复成品。

本发明材料的微观结构如图1A-C所示。这种高度的可控制的多孔结构十分有利于骨细胞的生长。如图2B所示，每一个结构单元构成大小一定的中空的多面体，其大小大致在250-500微米，构成并连接这些结构单元的柱状体大致在100微米左右，以此来仿生天然人体松质骨的结构。如图2C所示，本发明的结构支柱由两层材料组成，内芯为碳纤维聚合物，外面涂层惰性金属钽，以提供良好的生物相容性，和适当的硬度和强度。同时，通过调整金属层的厚度还可以进一步控制结构单元孔径的大小。

实施例2利用本发明材料制造的基质用于软骨修复

1、加工海绵骨材质成型为直径4毫米，厚度约3毫米的圆柱体基质。使用70％酒精浸泡基质约30分钟，再用无菌PBS溶液浸泡5分钟。在无菌环境下吹干基质，备用。

2、用胶原酶分解组织分离软骨细胞，将载有软骨细胞的琼脂糖水凝胶体与金属海绵骨基质融合，自然冷却琼脂糖水凝胶体至室温使其成型为组织工程软骨植入体并被固定在基质之上(图2A)。

3、取斗牛犬，2年龄，体重20-25千克。在其膝关节滑车沟处钻直径4毫米深约5毫米的缺孔。组织工程软骨被固定于由本发明材料制作的基质上然后植入与膝关节软骨局部缺损部位(图2B)。

4、缝合创口，x光扫描证实植入体基质保持于植入位置(图2C)。

5、经过6周动物体内实验，组织工程软骨内软骨细胞95％成活，基质70％的孔隙被宿主真骨填充，剪切固定强度达到19MPa以上，起到了稳固人造软骨的目的(图2D)。

Claims (5)

1、一种人造金属海绵骨，其特征在于，

它包括能与生物兼容的高分子化合物，另可树脂化的糠醇构筑成具有高度互联通性的三维多空结构支架，该支架表面有与生物兼容的金属薄层。

2、一种人造金属海绵骨的制造方法，其特征在于，所述的与生物兼容的高分子化合物，是通过静电纺，包括3—D打印在内的快速成型技术制成三维多空结构支架，支架表面喷涂与生物兼容的金属薄层。

3、一种人造金属海绵骨的制造方法，其特征在于，所述的可树脂化的糠醇是通过热解反应加工成具有多微孔网状炭纤维泡沫技术制成三维多空结构支架，支架表面喷涂与生物兼容的金属薄层。

4、根据权利要求2或3所述的人造金属海绵骨的制造方法，其特征在于，所述的在支架表面是通过化学气相沉积技术熔融态电镀，真空离子溅射，热熔蒸气沉积，在支架表面喷涂一层与生物兼容的金属薄层。

5、根据权利要求2或3所述的人造金属海绵骨的制造方法，其特征在于，所述的薄层材料可采用惰性金属，包括钽、铌、钛、钽合金、铌合金、钛合金。

Images