CN102440852A - 一种混合多孔结构椎间融合器及其制备方法 - Google Patents

一种混合多孔结构椎间融合器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种混合多孔结构椎间融合器及其制备方法，所述椎间融合器包括多孔金属支架和多孔结构填充体，多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，多孔结构填充体充满于该所有孔隙中；所述制备方法将直接金属快速成型技术与冷冻干燥技术相结合，先通过结构设计与直接金属快速成型技术制造出多孔金属支架，再将混和均匀的聚合物凝胶或聚合物/生物陶瓷复合凝胶浇注到多孔金属支架内，并进行冷冻处理，然后经过冷冻干燥，使之形成具有微孔特征的多孔结构填充体，从而获得混合多孔结构椎间融合器。本发明既具有良好的力学相容性，又增加了与自然椎体间的接触面积，获得了良好的即刻稳定性，提高了融合率，可用于临床上椎间盘退变性疾病的治疗。

Description

一种混合多孔结构椎间融合器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种骨科植入假体，具体涉及一种混合多孔结构椎间融合器及其制备方法，属于生物医学工程技术领域。
背景技术
腰椎间盘突出和颈椎病等症状的椎间盘退变性疾病是现代社会中的一种常见病和多发病，严重地影响患者的生活质量。脊柱融合是脊柱外科应用最广泛的技术之一，主要通过建立脊柱即刻稳定及植入物骨生成作用、骨诱导作用、骨传导作用来促进脊柱骨性融合。目前，椎间融合已成为治疗腰椎不稳、腰椎管狭窄、退变性椎体滑脱、退变性脊柱侧弯、假关节及退变性椎间盘疾病等疾患的主要手段。临床使用的椎间融合器主要有两类，分别是金属椎间融合器和非金属椎间融合器。金属椎间融合器力学性能和稳定性好，但是金属本身是一种生物惰性材料，不能与宿主骨形成直接连接，而且金属材料的弹性模量与自然椎体的弹性模量不相符，存在较大的应力遮挡，导致植骨吸收，从而使得椎间融合率不佳。非金属椎间融合器虽然克服了弹性模量不匹配的问题，但临床使用过程中也出现了一系列的并发症：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、椎间不融合等。因此，研发一种新型椎间融合器，使其既能够具有理想的机械强度和弹性模量，又能够增加与椎体间的接触面积，获得良好的即刻稳定性，植入时，减少对脊柱软组织的破坏，同时还具备与宿主骨的直接连接性能，对于提高椎间盘退变性疾病治疗的远期疗效具有重要的科学意义和实用价值。
经对现有技术文献的检索发现，申请号为200920247060.8(授权公开号CN 201529176U)名称为《一种用于椎体融合时植入的骨小梁椎间融合器》的中国实用新型专利公开了一种骨小梁椎间融合器，其具有由钛合金粉末经电子束熔融成型的网状多孔结构，形状可为楔形、方形、半圆形或三角形，也可根据患者病变部位的具体情况进行设计。该骨小梁椎间融合器的孔径为50-900微米，孔隙率为40-90％，表面还可具有羟基磷灰石涂层。该实用新型所述的融合器虽然能够在一定程度上降低应力屏蔽带来的不利影响，但不能改善融合器的骨长入和骨传导性，从而不能有效提高其融合率。与其类似，目前临床上使用的各类椎间融合器一般只能提供一定的力学支撑和即刻稳定作用，缺乏良好的骨传导和骨诱导作用，没有适合细胞、组织长入的孔隙结构，不能与宿主骨形成直接连接，从而导致融合率较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有金属类椎间融合器弹性模量不匹配和生物学性能差，以及非金属类椎间融合器力学性能不佳、容易松动、塌陷和融合率不高的缺陷，提供一种混合多孔结构椎间融合器，其能够实现融合器的即刻稳定，提高其与椎体的力学相容性，促进新骨的长入，提高融合率。本发明的目的还在于提供相应的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种混合多孔结构椎间融合器，其包括多孔金属支架和多孔结构填充体，所述多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，所述多孔结构填充体充满于该所有孔隙中。
本发明所述的混合多孔结构椎间融合器，特征在于：所述多孔金属支架由钛、钛合金或不锈钢制成，外形为规则几何形状或者根据患者病患部位确定，其孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％；所述多孔结构填充体为微孔聚合物或者微孔聚合物/生物陶瓷复合体，该微孔聚合物为海藻酸钠，该生物陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙。
本发明的另一技术方案为：
一种混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其包括如下步骤：
第一步，利用直接金属快速成型技术，由快速成型设备在计算机控制下采用金属材料进行直接金属快速成型制造，形成多孔金属支架，该多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％；
第二步，将微孔聚合物与去离子水混和制备成浓度为1％-5％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续充分搅拌30-60分钟，使凝胶溶液均匀化；
第三步，将所制备的多孔金属支架放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到该多孔金属支架中，使凝胶溶液充满所述多孔金属支架内所有的孔隙，然后进行冷冻；
第四步，取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱进行冷冻干燥。
本发明所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其第二步可以为：第二步，将微孔聚合物、生物陶瓷与去离子水混和制备成浓度为1％-5％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续充分搅拌30-60分钟，使凝胶溶液均匀化；所述的生物陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙，所述微孔聚合物与生物陶瓷的质量比为1∶1、2∶1、3∶1或4∶1；
第二步中，所述的微孔聚合物为海藻酸钠；
第三步中，所述冷冻温度为-10℃到-70℃，冷冻时间为12-24小时；
第四步中，所述真空冷冻干燥的真空度为0.1-0.2mbar，真空冷冻干燥的温度为-40℃至-90℃，真空冷冻干燥的时间为12-24小时。
本发明将直接金属快速成型技术与冷冻干燥技术相结合，先通过结构设计与直接金属快速成型技术制造出具有良好力学相容性的多孔金属支架，再将聚合物凝胶或聚合物/生物陶瓷复合凝胶浇注到多孔金属支架内，并进行冷冻处理，然后经过冷冻干燥，使聚合物或者聚合物/生物陶瓷复合物形成具有微孔特征的多孔结构填充体，从而获得混合多孔结构椎间融合器。本发明既因多孔金属支架而具有理想的机械强度和弹性模量，又因多孔结构填充体而具备适合细胞、组织长入的孔隙结构，能够增加与椎体间的接触面积，与宿主骨形成直接连接，从而获得良好的骨传导和骨诱导作用以及即刻稳定性，提高融合率。本发明能够应用于临床上椎间盘退变性疾病的治疗。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
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，本实施例以本发明技术方案为前提下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仅限于下述的实施例。
如图1所示，所示混合多孔结构椎间融合器包括：多孔金属支架1和多孔结构填充体2。
所述多孔金属支架1是由钛、钛合金或者不锈钢制成，其或者通过金属粉末微球烧结而成，或者由金属纤维丝按照一定的空间结构形态编织烧结而成，或者利用直接金属快速成型技术制造而成。所述多孔金属支架1的外形可以设计制造成规则几何形状，也可以根据患者病患部位的医学影像数据进行三维重构，形成解剖学形态而确定。所述多孔金属支架1呈三维立体网状结构，内部存在有许多个孔隙，该孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％。所述多孔金属支架1的孔隙结构可以任意设计、调整、优化，以满足各种特殊需要，获得理想的孔隙结构特征，使其具备良好的机械强度以及与人体骨组织相匹配的弹性模量。该多孔金属支架1的主要作用是承受脊柱椎体间的压力，获得与椎体的较大接触面积，实现理想的即刻稳定效果，形成与人体骨组织相匹配的弹性模量，降低应力屏蔽效应的不利影响。
所述多孔结构填充体2分布充满于多孔金属支架1所有的孔隙中，从而与之共同形成混合多孔结构椎间融合器。所述多孔结构填充体是由微孔聚合物或者微孔聚合物/生物陶瓷复合体形成的具有微孔特征的结构体，其微孔的尺寸一般为10-200μm。该微孔聚合物为海藻酸钠，该生物陶瓷为为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙等生物活性材料。该多孔结构填充体2的主要作用在于改善椎间融合器的生物学性能，促进细胞、组织的长入和新骨的形成，实现理想的骨整合，提高融合率。
上述利用直接金属快速成型技术制造多孔金属支架1的一般过程为：先通过计算机辅助设计(CAD)软件进行三维空间结构设计与优化，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认的数据格式，最后由快速成型设备按照处理好的数据，在计算机控制下进行直接金属快速成型制造，形成多孔金属支架1。
本发明所述混合多孔结构椎间融合器的制备方法包括如下步骤：
第一步，利用直接金属快速成型技术，由快速成型设备在计算机控制下采用金属材料进行直接金属快速成型制造，形成多孔金属支架1，该多孔金属支架1呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％。
第二步，将微孔聚合物与去离子水混和制备成浓度为1％-5％的聚合物溶液，该微孔聚合物为海藻酸钠，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续充分搅拌30-60分钟，使凝胶溶液均匀化。
第二步中，聚合物溶液也可以用微孔聚合物、生物陶瓷与去离子水混和制备，该生物陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙，所述微孔聚合物与生物陶瓷的质量比为1∶1、2∶1、3∶1或4∶1，而第二步中的其他工艺参数不变。
第三步，将所制备的多孔金属支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到该多孔金属支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔金属支架1内所有的孔隙，然后进行冷冻，冷冻温度为-10℃到-70℃，冷冻时间为12-24小时。
第四步，取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱进行冷冻干燥，真空冷冻干燥的真空度为0.1-0.2mbar，温度为-40℃至-90℃，时间为12-24小时。
下面通过一些实施例对本发明所述混合多孔结构椎间融合器制备方法作进一步的详细说明。
实施例1
首先利用计算机辅助设计(CAD)软件Unigraphics进行多孔金属支架1三维空间结构的设计，所设计的三维多孔结构为蜂窝状结构，孔隙的尺寸为300μm，孔隙率为60％，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认数据格式，再由快速成型设备按照处理好数据，在计算机控制下采用金属钛作为材料，进行直接金属快速成型制造，形成多孔钛金属支架1。将一定量的海藻酸钠与去离子水混和，制备成浓度为1％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续搅拌30分钟，使凝胶溶液均匀化，其中的微孔尺寸一般为10-200μm。将所制备的多孔钛金属支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到多孔钛金属支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔钛金属支架1内所有的孔隙，然后置于-10℃环境中进行冷冻12小时。取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱，进行冻干，真空度设定为0.2mbar，冷冻温度为-40℃，冻干时间为12小时，冻干后即可获得所述混合多孔结构椎间融合器。
实施例2
首先利用计算机辅助设计(CAD)软件Unigraphics进行多孔金属支架1三维空间结构设计，所设计的三维多孔结构为钻石分子结构，孔隙的尺寸为700μm，孔隙率为70％，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认数据格式，再由快速成型设备按照处理好数据，在计算机控制下采用钛合金进行直接金属快速成型制造，形成多孔钛合金支架1。将一定量的海藻酸钠、羟基磷灰石与去离子水混和，海藻酸钠与羟基磷灰石的质量比为4∶1，制备成浓度为5％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续搅拌60分钟，使凝胶溶液均匀化，其中的微孔尺寸一般为10-200μm。将所制备的多孔钛合金支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到多孔钛合金支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔钛合金支架1内所有的孔隙，然后置于-70℃环境进行冷冻24小时。取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱，进行冻干，真空度设定为0.1mbar，冷冻温度为-90℃，冻干时间为24小时。冻干后即可获得混合多孔结构椎间融合器。
实施例3
首先利用计算机辅助设计(CAD)软件Unigraphics进行多孔金属支架1三维空间结构设计，所设计的三维多孔结构为钻石分子结构，孔隙的尺寸为1500μm，孔隙率为80％，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认数据格式，再由快速成型设备按照处理好数据，在计算机控制下采用不锈钢进行直接金属快速成型制造，形成多孔不锈钢支架1。将一定量的海藻酸钠、羟基磷灰石与去离子水混和，海藻酸钠与羟基磷灰石的质量比为2∶1，制备成浓度为3％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续搅拌45分钟，使凝胶溶液均匀化，其中的微孔尺寸一般为10-200μm。将所制备的多孔不锈钢支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶浇注到多孔不锈钢支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔不锈钢支架1内所有的孔隙，然后置于-55℃环境进行冷冻18小时。取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱，进行冻干，真空度设定为0.15mbar，冷冻温度为-70℃，冻干时间为18小时，冻干后即可获得混合多孔结构椎间融合器。
实施例4
首先利用计算机辅助设计(CAD)软件Unigraphics进行多孔金属支架1三维空间结构设计，所设计的三维多孔结构为钻石分子结构，孔隙的尺寸为700μm，孔隙率为70％，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认数据格式，再由快速成型设备按照处理好数据，在计算机控制下采用钛合金进行直接金属快速成型制造，形成多孔钛合金支架1。将一定量的海藻酸钠、磷酸三钙与去离子水混和，海藻酸钠与磷酸三钙的质量比为1∶1，制备成浓度为5％的溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续搅拌60分钟，使凝胶溶液均匀化，其中的微孔尺寸一般为10-200μm。将所制备的多孔钛合金支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到多孔钛合金支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔钛合金支架1内所有的孔隙，然后置于-20℃环境进行冷冻24小时。取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱，进行冻干，真空度为0.1mbar，冷冻温度为-90℃，冻干时间为24小时，冻干后即可获得混合多孔结构椎间融合器。
实施例5
首先利用计算机辅助设计(CAD)软件Unigraphics进行多孔金属支架1三维空间结构设计，所设计的三维多孔结构为钻石分子结构，孔隙的尺寸为700μm，孔隙率为70％，然后对所设计的CAD数据进行分层切片处理，并转换成快速成型设备默认数据格式，再由快速成型设备按照处理好数据，在计算机控制下采用不锈钢进行直接金属快速成型制造，形成多孔不锈钢支架1。将一定量的海藻酸钠、硅酸钙与去离子水混和，海藻酸钠与硅酸钙的质量比为3∶1，制备成浓度为5％的溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续搅拌60分钟，使凝胶溶液均匀化，其中的微孔尺寸一般为10-200μm。将所制备的多孔不锈钢支架1放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到多孔不锈钢支架1中，使凝胶溶液充满所述多孔不锈钢支架1内所有的孔隙，然后置于-30℃环境进行冷冻24小时。取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱，进行冻干，真空度为0.1mbar，冷冻温度为-90℃，冻干时间为24小时，冻干后即可获得混合多孔结构椎间融合器。

Claims (14)

1.一种混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述椎间融合器包括多孔金属支架和多孔结构填充体，所述多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，所述多孔结构填充体充满于该所有孔隙中。
2.根据权利要求1所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述多孔金属支架由钛、钛合金或不锈钢制成。
3.根据权利要求1或2所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述多孔金属支架的孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％。
4.根据权利要求1所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述多孔金属支架的外形为规则几何形状或者根据患者病患部位确定。
5.根据权利要求1所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述多孔结构填充体为微孔聚合物。
6.根据权利要求1所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述多孔结构填充体为微孔聚合物/生物陶瓷复合体。
7.根据权利要求6所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述生物陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙。
8.根据权利要求5或6所述的混合多孔结构椎间融合器，其特征在于：所述微孔聚合物为海藻酸钠。
9.一种混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
第一步，利用直接金属快速成型技术，由快速成型设备在计算机控制下采用金属材料进行直接金属快速成型制造，形成多孔金属支架，该多孔金属支架呈三维立体网状结构，内部存在有多个孔隙，孔隙的尺寸为300-1500μm，孔隙率为60％-80％；
第二步，将微孔聚合物与去离子水混和制备成浓度为1％-5％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续充分搅拌30-60分钟，使凝胶溶液均匀化；
第三步，将所制备的多孔金属支架放入到与其外形相当的容器内，再将搅拌均匀的凝胶溶液浇注到该多孔金属支架中，使凝胶溶液充满所述多孔金属支架内所有的孔隙，然后进行冷冻；
第四步，取出冷冻好的椎间融合器，即刻放入真空冷冻干燥箱进行冷冻干燥。
10.根据权利要求9所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述第二步为：
第二步，将微孔聚合物、生物陶瓷与去离子水混和制备成浓度为1％-5％的聚合物溶液，然后在搅拌条件下，将0.3mol/L的氯化钙溶液加入其中，聚合物溶液与氯化钙溶液的体积比为5∶1，使其发生钙离子置换反应，形成凝胶溶液，并继续充分搅拌30-60分钟，使凝胶溶液均匀化。
11.根据权利要求9或10所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述第三步中，所述冷冻温度为-10℃到-70℃，冷冻时间为12-24小时。
12.根据权利要求9或10所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述第四步中，所述真空冷冻干燥的真空度为0.1-0.2mbar，真空冷冻干燥的温度为-40℃至-90℃，真空冷冻干燥的时间为12-24小时。
13.根据权利要求10所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述的生物陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或硅酸钙，所述微孔聚合物与生物陶瓷的质量比为1∶1、2∶1、3∶1或4∶1。
14.根据权利要求9、10或13所述的混合多孔结构椎间融合器的制备方法，其特征在于：所述第二步中，所述的微孔聚合物为海藻酸钠。
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