CN104188738B - 多功能体内骨发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多功能体内骨发生器，由载物、连接、锁定和固定四装置组成。该发生器利用机体自身微环境促进组织细胞在支架材料内增殖和分化，形成组织工程化骨，可进行原位或异位病损部的修复和重建，同时还可以起到内固定作用。该发生器主要用于医学领域和兽医领域。

Description

多功能体内骨发生器

技术领域

本发明涉及一种多功能体内骨发生器，该装置利用机体自身微环境促进组织细胞在支架材料内增殖和分化，形成组织工程化骨，用于病损部的修复和重建。该骨发生器主要用于医学治疗领域和兽医领域。

背景技术

组织工程最早是由美国国家科学基金会在1987年正式提出和确定，其研究核心是应用细胞生物学和工程学原理及方法，改善和修复损伤组织的结构及功能，并具有生物活性的人工替代物。传统组织工程技术构建工程化组织的方法，主要是体外种子细胞复合到支架材料上，或加用细胞因子，促进种子细胞定向分化，形成需要的组织或器官。这一策略涉及的组织工程三要素，即种子细胞、支架材料和细胞因子。可是三要素在体外相互作用与体内是有所不同，在体外三者只是简单组合，在体内微环境被认为是第四要素。缺乏体内微环境的影响，组织工程制成的骨尚无法满足大段骨缺损的治疗。

在构建组织工程化骨时，为能尽可能模拟体内微环境，研究者将目光转向生物反应器，而反应器的基本要求：1)控制体外微环境，如氧张力、pH值、温度和机械应力等；2)精确控制传质；3)必须在无菌下操作；4)完整的生物反应器控制和操作系统。生物反应器的关键是物质转运，包括营养供给和代谢废排出。目前组织工程化骨仅限于小块状(＜2cm2)，因为它们没有自身已供养系统，细胞只能通过物质扩散获取，尤其是氧分供给更为重要，因为只有100-200μm厚的细胞层能通过扩散获得氧分。因此，大块组织工程化骨的物质转运是组织工程骨面临的最大挑战。

传统静态生物反应器中的组分-细胞、养分、代谢物、氧分和其它重要的分子完全通过扩散实现传质作用，因此，静态培养无法满足制备大段骨组织的需要。目前有很多动态生物反应器已经被研制成功，并获得应用。如填充床生物反应器或流化床生物反应器(广泛用于肝细胞、心肌细胞、成骨细胞等的培养扩增)和旋转壁式生物反应器，还有同轴圆柱体生物反应器以平行平板生物反应器等。这些反应器在一定程度上解决了静态培养的单纯扩散传质作用。专利CN 203200277描述一种旋转搅拌式生物反应器，利用旋转搅拌使得氧分充分混合和溶氧均匀分布；但无法控制流速及搅拌产生的剪切应力，这些对细胞再生有明显影响。专利CN 103328625描述一种拥有2个区域生物反应器，区域被膜分隔开，每个区域有多层，每层表面都进行表面改性，可以留住不同细胞因子和蛋白多肽等，但无法控制细胞因子量。组织再生所需的细胞因子等并不是简单糅合，而在不同时间对于不同细胞因子的需求是不同的，该专利发明的生物反应器是无法解决这个问题。

上述生物反应器均在体外状态下，通过不同手段模拟体内微环境，但无法完全复制内环境。体内微环境是极其复杂的环境，各种生长因子和蛋白作用及它们的协同作用目前在体外无法实现，理想的方法是利用体内微环境来促成组织工程化骨，才有可能解决大段骨缺损的修复。本发明旨在改变传统理念，充分利用生物体自身微环境促进细胞在支架内增殖和分化，达到骨形成。

发明内容

本发明涉及一种多功能体内骨发生器(简称“发生器”)，其特征为骨周环抱容器，可载装支架材料；并利用机体自身微环境促进组织细胞在支架材料内增殖和分化，形成组织工程化骨，用于病损部的修复和重建。该发生器由载物装置1、连接装置2、锁定装置3和固定装置4四部分组成(图1)。

本发明的目的是在正常部位形成骨组织，通过带血管或不带血管方法取出新生骨，移植到达到病损部位进行修复和重建。

本发明的另一目的是在病损部位直接原位加速成骨和增加骨量，达到修复和重建。

本发明的另一目的是在病损伴连续性缺失时，既能原位加速成骨，又能发挥内固定作用。

该发生器的制作材料可是金属(不锈钢、钛合金、铝合金、铜、金、银和钽等)、有机(PEEK、PETG和PCTG等)、无机(氧化铝和氧化锆陶瓷)和复合等材料；也可是降解材料(PLGA、PLLA、镁金属、TCP生物陶瓷和生物玻璃等)。

该发生器能加载不同成分(有机、无机、金属和复合材料等)和不同剂型(颗粒和块状，固体和半固体)的组织引导或/和诱导物质。

该发生器可通过3D打印、注模、锻造、机械切削等工艺制作，但必须符合形态、尺寸和精度要求。

该发生器可用于医学和兽医领域。通过体内生物反应器理念，对病损部位进行自体再生组织修复和重建。

该发生器的载物装置1主要起到载装支架材料。该装置为等分对合管型仓5，所述管型仓5横断面可是圆、椭圆、方和长方等形状，也可解剖形状。仓壁6由两个或两个以上带卷边管6页片组成，两端向内垂直翻边1-20mm，片间通过连接装置连接，或锁定装置锁定。翻边围拢组成敞开口7，开口形态和尺寸因使用部位而定，既要保证载入物不流出，又要防止开口过于紧密与骨面接触影响血运。仓壁6有较多的穿透孔8，孔密度为4-20个/cm2，孔排列为有序或无序，但必须均匀。该孔为周围组织和血管长入提供通道(图2)。

该发生器的连接装置2主要进行所述管型仓5页片连接，保证仓壁6连续性和完整性。连接方式为铰链型(图3中a)和倒钩型(图3中b)。铰链型采用等距等长页片卷边管缺口，两边相对应，以便互坎成连续卷边管9，其中插入相应连接棒10。倒钩型是管型仓页片卷边管未完全闭合，可使页片间的卷边管11相互倒钩形成连接(图3)。

该发生器的锁定装置3主要起到连接和固定所述管型仓对合的作用，保证载入物不丢失。锁定方式有环抱型(图4中c)和销拴型(图4中d)。环抱型通过钢丝、缝线和抱箍将所述管型仓关闭固定。销拴型类似铰链型方式，或门拴方式，或螺钉钉入(图4)。

该发生器的固定装置4主要是使发生器整体固定在组织上，即能稳定发生器不产生移位，又能重建骨折部位的稳定性。固定方式主要是螺钉(图5中e)与组织咬合(图5中f)，一种是通过螺钉12全层穿透发生器及组织达到固定，固定点可一个也可多个。另一种是通过一个或多个管型仓页片的两端带钉眼13延伸段，采用螺钉12固定(图5)。

该发生器操作流程：

1)根据使用部位形态和大小及需骨量，选择和定制相应的发生器。

2)无菌条件下切开植入部位，清除骨周围软组织，保留骨膜。

3)在预定安装部向骨髓腔钻几个全层孔，以利于髓腔内细胞迁移、活性物质释放和血管长出。

4)打开灭菌发生器，环抱于骨周，使骨干从发生器中央穿过。

5)通过固定装置对发生器进行固定，常用多枚螺丝。

6)在发生器内沿骨周填满支架材料，用于引导和诱导血管和组织再生。

7)通过锁定装置将载物仓完整化，同时缝合和包扎伤口。

8)影像学观察达到预期目标时，拆除发生器，取出新生骨用于病损部。

附图说明

图1本发明所述发生器的立体示意图。

图2本发明所述发生器的载物装置结构示意图。

图3本发明所述发生器的连接装置结构示意图。

图4本发明所述发生器的锁定装置结构示意图。

图5本发明所述发生器的固定装置结构示意图。

图6本发明所述发生器在体内成骨效果图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示的发生器由不锈钢经机械切削加工和组装而成。该载物装置由相同的2个半圆弧页片对合而成管型仓(内径20mm和内高30mm)，页片两端向内垂直5mm翻边，翻边合拢形成圆敞口片间连接通过两个不锈钢螺丝锁定。仓壁有10个/cm²的穿透孔。固定装置通过两个不锈钢螺丝实现。

实施例2：如图2所示的发生器由PLGA可降解材料经注塑成零件，再组装而成。该载物装置由相同4片1/4圆弧页片组合而成管型仓(内径30mm和内高60mm)，页片两端向内垂直5mm翻边，翻边合拢形成圆敞口页片两侧带未全闭合的卷边管，片间连接通过卷边管相互倒钩而成。仓壁有10个/cm²的穿透孔。固定装置通过两个PLGA螺丝实现。

实施例3：如图2所示的发生器由氧化锆材料经注浆成形和组装而成。该载物装置由相同6片1/6圆弧页片组成管型仓(内径30mm和内高60mm)，页片两端向内垂直5mm翻边，翻边合拢形成圆敞口页片两侧卷边管形成等距等长两侧相对应缺口，达到互坎成连续卷边管，其中插入不锈钢针形成连接和锁定。仓壁有10个/cm²的穿透孔。固定装置为载物装置中的三个页片的延长部分通过螺丝固定。

实施例4：将实施例1的发生器安装在新西兰兔股骨干中段，载入β-磷酸三钙颗粒术后影像学和组织学观察发现在发生器内4周有新骨形成，8周成骨量显著增加。在安装部骨干打孔组的结果明显优于未打孔组。

实施例5：将实施例2的发生器安装在1青年腓骨中下段，载入β-磷酸三钙颗粒术后8周拆除发生器，取出新骨治疗对侧胫骨下段的骨不连，6个月后骨不连达到临床治愈。

实施例6：将实施例3的发生器安装在股骨中段粉碎性骨折伴大段骨缺损，载入β-磷酸三钙颗粒术后4周影像学观察发现有大量新骨形成，3月后骨愈合，逐步恢复患肢功能。

Claims (10)

1.一种多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器由载物装置、连接装置、锁定装置和固定装置组成；

其中，所述载物装置为等分对合管型仓，所述管型仓的横断面为圆形、椭圆形、方形或长方形，所述管型仓的仓壁由两个或两个以上带翻边的页片组成，所述页片围拢组成敞开口，所述仓壁上具有的穿透孔，所述穿透孔密度为4-20个/cm²；

该发生器利用机体自身微环境促进组织细胞在支架材料内增殖和分化，形成组织工程化骨，用于病损部的修复和重建。

2.根据权利要求1所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器首先在正常部位形成骨组织，通过带血管或不带血管方法取出新生骨，移植到达病损部位进行修复和重建。

3.根据权利要求2所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器安装在病损部位起到直接加速成骨作用。

4.根据权利要求2所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器在病损部位伴连续性缺失时，既能原位加速成骨，又能发挥内固定作用。

5.根据权利要求1至4任一项所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器的制作材料是不锈钢、钛合金、铝合金、铜、金、银、钽、PEEK、PETG、PCTG、氧化铝、氧化锆陶瓷、复合材料、PLGA、PLLA、镁金属、TCP生物陶瓷或生物玻璃中的任意一种。

6.根据权利要求1至4任一项所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器通过3D打印、注模、锻造或机械切削工艺制作，但必须符合形态、尺寸和精度要求。

7.根据权利要求1至4任一项所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，所述连接装置连接多个所述管型仓中的所述页片，保证所述仓壁连续性和完整性，连接方式为铰链型和倒钩型。

8.根据权利要求1至4任一项所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，所述锁定装置起到连接和固定所述管型仓对合的作用，保证载入物不再丢失，锁定方式为环抱型或销拴型。

9.根据权利要求1至4任一项所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，所述固定装置将所述发生器整体固定在组织上，固定方式为螺钉连接或组织咬合。

10.根据权利要求1所述的多功能体内骨发生器，其特征在于，该发生器适用于医学领域和兽医领域。