CN102028532A - 纳米复合材料椎间融合器及制备方法 - Google Patents

Abstract

纳米复合材料椎间融合器及制备方法。该椎间融合器具有贯通上下端面中心孔的基体结构的上下两端面为齿状结构粗糙面，基体结构的侧面设有与中心孔连通的侧孔，基体结构使用方向的前端部或后端部设有一带螺纹的夹持孔，其外孔口的两侧带有内凹夹持结构，其中在基体结构上端面或下端面的一对角方向上的两侧各设有一个同面金属定位结构，在基体结构另一侧端面的非螺纹孔所在端部设有一个异面金属定位结构。将220～280℃下熔融态的纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合材料以80～130MPa压力注入成型模具后冷却成型，即可制备得到该椎间融合器。该椎间融合器有优异的生物活性和优秀的生物相容性以及与人体骨匹配的力学性能，并极大地方便了在X线片上定位所植入的纳米复合材料椎间融合器的位置及高度。

Description

纳米复合材料椎间融合器及制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种脊柱内固定装置，特别是一种用于临床上胸腰椎椎体间融合手术的椎间固定装置，及其制备方法。

背景技术

腰椎退行性滑脱、节段性不稳定、椎间盘源性疾病、外伤性腰椎滑脱所致腰椎失稳引起的下腰痛、肢体运动感觉障碍，对非手术治疗无效者一般都需进行腰椎固定融合术。近年来，腰椎间融合器已广泛应用于腰椎融合术中。随着脊柱生物力学的发展和腰椎椎间融合术的广泛应用，椎间融合器发展迅速，种类繁多。

自从椎间融合术在临床上应用以来，以自体三面皮质骨为融合介质的传统技术在临床上得以广泛应用，但其存在生物力学和生物学的缺陷。

椎间融合的结构，包括中国专利公开/公告号CN2561364Y、CN101254140A、CN201586095U等在内的许多文献都已有报道和/或使用。目前普遍采用的基本结构形式，都是在基体结构中具有一贯通上下端面的中心孔，用于填充自体碎骨，以通过人体正常愈合机制获得骨性融合。该基体结构的上下两端面上设有包括齿状结构等形式的粗糙面，以增加防滑的摩擦阻力和增大接触面积，提高其与骨体结合的稳定性效果，并能撑开椎间隙，恢复椎间盘高度，使椎间孔的面积和容量增加。此外，在基体结构的侧面还设有与中心孔连通的侧孔，以利引流和新生骨的长入及骨融合，并减少融合器对植入区的应力遮挡。在该基体结构使用方向的前端或后端部位还设有一螺纹孔等夹持孔，并在其外孔口的两侧带有适当形式的夹持结构，以便与专用工具配合进行安装椎间融合器手术的取/放操作。

在材质方面，目前临床上用于的椎间融合器，可有金属类融合器和非金属类融合器之分。金属类融合器，目前大多为钛合金融合器，如TFC、Harms、BAK椎间融合器等。由于其存在应力遮挡、异物感、金属结构松脱、不能从X线片判断其内部骨融合的情况，以及在CT、MRI图像产生伪影不利于对融合器的影像学评价，且价格昂贵，均限制了其在临床的应用。

非金属类融合器，可包括如Brantigan碳纤维融合器、PEEK、可吸收PDLLA融合器等。据以往的人工关节和韧带重建方面的经验，因碳纤维的组织结构分离，可造成关节内感染、滑膜炎、淋巴扩散，且脆性大，容易造成融合器装置破坏，引起组织学反应。

PEEK是目前临床应用最广泛的椎间融合材料，但其也导致了一系列并发症：融合器松动、神经根损伤、融合器塌陷、椎间隙及椎间孔高度减小、椎间不融合、在正常负荷下产生碎屑影响骨融合，并且该材料为国外进口材料，价格十分昂贵。

PDLLA融合器为单一成分的可吸收材料，但其在应用过程中存在一定的问题，如机械强度差、内在脆性使其容易在手术的操作过程中碎裂、高浓度的降解产物有导致严重的组织反应如感染、骨质溶解的可能，虽然在屈、伸、轴向旋转及侧屈方面的节段稳定性优于金属融合器，后期其降解速度会影响骨融合。

中国专利公开号CN101254140A提出了采用以C/C+HA为原料制备的椎间融合器，以等离子提任喷涂方式，在C/C材料对象表面制备厚度均匀的HA涂层，经真空热处理后，再将其置于模拟人体血浆无机离子浓度和pH值的溶液中浸泡，提高HA涂层的生物活性。CN1476905A报道的一种椎间融合器，采用的是以聚乳酸和羟基磷灰石为原料，将溶解于丙酮的聚乳酸与用无水乙醇分散的羟基磷灰石悬浮液均匀混合后，使羟基磷灰石和聚乳酸共沉淀，沉淀物经无水乙醇洗涤后真空干燥，将获得的微粒在210℃温度下经注射机模具成型，制成椎间融合器。此外，日本北海道大学的Yoshihiro Hojo等人也曾报道了采用未经热处理的羟基磷灰石粉体和左旋聚乳酸混合，经热压成型制得椎间融合器的方法(Biomaterials，2005，26；2643-2651)。但该制品存在骨传导能力差、降解速度不可控制，并导致力学性能不稳定等特点。而采用烧结的羟基磷灰石，则增加了椎间融合器发生脆性断裂的危险。

制备胸腰椎椎间融合器制品，采用不同类型的材料为原料，包括采用不同形式的有机-无机复合材料，和/或采用不同的制备方法，包括操作过程、步骤及相应的控制条件，所得到的椎间融合器制品的性能会各不相同，临床应用效果上也存在差异。

发明内容

针对上述情况，本发明首先提供了一种用于临床上胸腰椎椎体间融合手术的椎间固定装置即椎体融合器，本发明进一步还提供了所说该纳米复合材料椎间融合器的一种制备方法。

本发明的纳米复合材料椎间融合器，由纳米羟基磷灰石聚酰胺复合材料组成，基本结构同样是在具有贯通上下端面的中心孔的非金属材料基体结构的上下两端面上，设有齿状结构的粗糙面，在基体结构的侧面还设有与中心孔连通的侧孔，并在基体结构使用方向的前端部或后端部设有一带螺纹的夹持孔，其外孔口的两侧带有内凹形式的夹持结构。在该基体结构的上端面或下端面的一对角方向上的两侧，各设有一个同面金属定位结构，在基体结构另一端面的非夹持孔所在端部处，还设有一个异面金属定位结构。

上述椎间融合器结构中所说的该同面和/或异面金属定位结构，以采用金属珠和/或金属丝等形式为优选。所说的该同面和/或异面金属定位结构的设置，可以极大地方便在X线片上定位所植入该椎间融合器的位置及高度。

进一步，上述结构中所说基体结构的上下两端面结构的一种更好形式，是使其在端面方向上具有外凸曲面形式的端面结构。这一向上/下方向略呈外凸弧面形式的上/下端面，可以使其表面与终板的凹面解剖曲线更好地相互嵌合和充分接触，增加椎间隙内的稳定性，达到最佳的椎体间融合。

本发明上述椎间融合器的一种优选结构形式，是该基体结构的横截面成为其使用方向上的前后端部为具有不等宽度的圆角梯形或曲边圆角梯形，特别是其两侧边具有为5°～20°夹角的形式。

本发明上述椎间融合器的另一种优选结构形式，是使基体结构的横截面成为橄榄形或类似的椭圆形。

实践表明，作为骨组织修改材料，CN1544099A等文献报道的纳米羟基磷灰石-聚酰胺系列生物医用复合材料，由于其中的无机相和有机相之间形成了键性结合，在组成、结构、力学性能等方面都与自然骨相近，能满足临床硬组织修复的要求，是一类理想的用于骨修复和替代的纳米仿生材料。其中所说的聚酰胺，可以包括目前已有报道和/或使用的多种医用聚酰胺成分，如聚酰胺6、聚酰胺66等。本发明上述椎间融合器，优选采用以此类纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合材料制备而成。作为原料的该纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合材料的制备和获得方式，可以参照该CN1544099A等文献。

本发明上述纳米复合材料椎间融合器的制备，是在220℃～280℃条件下，将熔融状的上述纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合物料，以80MPa～130Mpa压力注入成型模具，然后冷却成型即可。试验显示，在保证原料充分熔融的前提下，进一步增高熔融温度，有可能会使物料过度氧化和变色。

试验结果还显示，上述的熔融状物料在所说压力下注入成型模具时，以采用8mm/s～12mm/s的注射速度为优选。

进一步，一种更好的方式，是使所说的熔融状物料注入成型模具后，先在50MPa～120Mpa压力下保持3s～20s后，再在该成型模具中降温冷却至100℃～140℃成型。冷却时间一般在10s～50s，冷却后取出，经表面处理即可。

根据临床使用的不同需要，一般情况下上述纳米复合材料椎间融合器制品可以制成外部尺寸为长×宽×高＝(20～32)×(10～12)×(6～14)mm的形式，夹持结构端的壁厚为5mm，其余壁厚为3mm，以符合人体胸腰椎椎体间解剖结构的特点，能提供足够的椎间支撑强度，并便于手术操作，也基本可以满足了不同病患的个体差异对不同大小椎间融合器的需求。

本发明上述结构形式的纳米复合材料椎间融合器中，采用带有适当外凸弧度并具有齿状结构粗糙面的上/下端面后，可以使其与上/下终板充分接触并增加摩擦阻力，在保持椎间高度的同时，有效防止椎间融合器移动。其上下两端面处的同面/异面金属定位结构，更能极大地方便在X线片上定位所植入的椎间融合器的位置及高度。而采用纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合材料为原料的该椎间融合器，还具有强度高、韧性好，以及与人体骨匹配的力学性能，并具有良好的生物活性和生物相容性。与金属材料相比，本发明的纳米复合材料椎间融合器能有效减小了应力遮挡；与陶瓷材料相比，则可具有较好的韧性；与PEEK材料和碳纤维融合器相比，则具有了更好的生物活性，能够适应和满足临床使用的多方面需要，为脊柱的椎间融合提供了一种优良的融合器制品。

以下结合由附图所示实施例的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的范围内。

附图说明

图1是本发明一种椎间融合器的侧面结构状态的示意图。

图2是本发明一种椎间融合器的端面结构状态的示意图。

图3是本发明另一种椎间融合器的端面结构状态的示意图。

具体实施方式

实施例1

图1和图2所示的本发明纳米复合材料椎间融合器，由纳米羟基磷灰石聚酰胺复合材料组成。其结构是在具有贯通上下端面的中心孔7的纳米羟基磷灰石-聚酰胺66(或其它的医用聚酰胺成分)复合材料基体结构中，其上下两个端面2分别为在其端面方向上具有适度外凸弧度等曲面的形式，并分别都设有齿状结构1形式的粗糙面。在基体结构的相对两侧面还分别各设有一个与中心孔7连通的侧孔3。在基体结构使用方向的前后端部的一端中，设有一带螺纹的夹持孔6，其外孔口的两侧并带有凹槽等适当形式的内凹夹持结构5。在基体结构上端面的一对角方向上的两侧，各设有一个珠状或丝状的同面金属定位结构4，在基体结构端部下端面的非螺纹孔6所在的部位处，还设有另一个相同或不同形式的异面金属定位结构44。

图2所示的该纳米复合材料椎间融合器的形状，是一种基体结构的横截面为在其使用方向的前后端部具有不等宽度的圆角梯形或曲边形式的圆角梯形，其两侧边间的夹角为5°～20°。

图3所示的是本发明的另一种纳米复合材料椎间融合器的结构形式，与图2的主要区别是其基体结构的横截面为橄榄形或类似的椭圆形。

上述各种结构形式纳米复合材料椎间融合器可采用同样的制备过程得到：将相应的椎间融合器制品注塑模具安装在常规的塑胶注射成型机上，注塑操作参数设置为：熔胶温度270℃和射胶温度275℃(根据所用的聚酰胺不同种类，可以在220～280℃范围调整)，射胶压力100Mpa(可在80～130Mpa范围内调整)，射胶速度10mm/s(可在8～12mm/s内调整)，保压压力120Mpa(可在50～120Mpa范围内调整)，保压时间10s(可在3～20s范围内调整)，冷却时间20s，模温130℃(可在100～140℃范围内调整)。所说的纳米羟基磷灰石-聚酰胺66。复合材料可参照前述CN1544099A等文献记载的方式制备得到。

塑胶注塑成型机及成型模具预热后，取烘干后的纳米羟基磷灰石-聚酰胺66复合材料2kg，加入塑胶注射成型机料筒内，按设定参数依次经注塑、保压和冷却后，从模具中取出，经表面处理，得到上述相应的纳米复合材料椎间融合器制品。

实施例2

将相应的椎间融合器制品注塑模具安装在常规的塑胶注射成型机上，以纳米羟基磷灰石-聚酰胺6为原料。注塑操作参数设置为：熔胶温度220℃和射胶温度225℃，射胶压力90Mpa，射胶速度10mm/s，保压压力60Mpa(，保压时间5s(可在3～10s范围内调整)，冷却时间20s，模温100℃(可在100～110℃范围内调整)，从模具中取出经表面处理，即可得到所说的纳米复合材料椎间融合器制品。

Claims (10)

1.纳米复合材料椎间融合器，由纳米羟基磷灰石聚酰胺复合材料组成，具有贯通上下端面的中心孔(7)的非金属材料基体结构的上下两端面(2)为设有齿状结构(1)的粗糙面，在基体结构的侧面设有与中心孔(7)连通的侧孔(3)，在基体结构使用方向的前端部或后端部设有一带螺纹的夹持孔(6)，其外孔口的两侧带有内凹夹持结构(5)，其特征是在基体结构上端面或下端面的一对角方向上的两侧各设有一个同面金属定位结构(4)，在基体结构另一端面的非夹持孔(6)所在端部处还设有一个异面金属定位结构(44)。

2.如权利要求1所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说的金属定位结构(4，44)为金属珠。

3.如权利要求1所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说的金属定位结构(4，44)为金属丝。

4.如权利要求1所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说基体结构的上下两端面(2)为在其端面方向上具有外凸曲面形式的端面结构。

5.如权利要求1所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说基体结构的横截面为其使用方向上的前后端部具有不等宽度的圆角梯形或曲边圆角梯形，其两侧边的夹角为5°～20°。

6.如权利要求1所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说基体结构的横截面为橄榄形或类似的椭圆形。

7.如权利要求1至6之一所述的纳米复合材料椎间融合器，其特征是所说的基体结构为由纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合材料构成。

8.制备权利要求7所述纳米复合材料椎间融合器的方法，其特征是在220℃～280℃条件下，将熔融状的纳米羟基磷灰石-聚酰胺复合物料，以80MPa～130Mpa压力注入成型模具后，冷却成型。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是所说的熔融状物料注入成型模具的速度为8mm/s～12mm/s。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征是所说的熔融状物料注入成型模具后，在50MPa～120Mpa压力下保持3s～20s后，再降温冷却至100℃～140℃成型。

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