CN1042067A - 生物活性涂层-钛合金人工骨人工关节及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种生物活性涂层—钛合金人工骨、人工关节以及制备方法，其特征在于钛合金人工骨及人工关节柄部和髋臼部表面涂覆一层底釉，该底釉外表再涂复一层生物活性材料，生物活性材料由羧基磷灰石及生物活性微晶玻璃组成。该人工骨或人工关节植入人体之后使生物活性材料与人体骨之间建立一种骨性结合而实现生物固定，可防止假体松动、下沉，延长人工骨及人工关节使用年限。

Description

本发明涉及医用钛合金复合人工骨及人工关节及制备方法。

人的骨骼损伤后，往往要用医用合金取代相应部位。医用合金与人骨的连接方法有：将锥形体合金压入骨髓腔镶嵌固定;螺钉固定;用聚甲基丙烯酸甲酯固定等。以上方法，均属合金与人骨之间的机械固定。随着植入时间的延长，在合金给予人骨压力的作用下，人骨就会出现损伤，被吸收，从而导致松动、下沉。这是人工骨、人工关节置换术中急待解决的问题。

在现有技术中有用等离子喷涂的方法把氧化铝或含钨、磷的材料涂复在合金表面，制成有孔的表面。其目的是使人的骨组织长入孔中实现固定。但等离子喷涂法形成的孔隙，只有50微米，骨组织难以长入。

近几年出现把合金表面制成珊瑚状及多孔状，将人骨植入人体之后使骨组织能长入孔中，骨与合金相互嵌合，其效果比其他方法好。但由于合金无活性，骨组织与合金界面还是机械嵌合，其效果不能使人们满意。

本发明的目的是提供一种生物活性涂层-钛合金人工骨、人工关节以及制备方法，在已有的钛合金人工骨、人工关节基础上，在其表面涂复一层具有生物活性的复合材料，将人工骨或人工关节植入人体之后使生物活性材料与人体骨之间建立一种骨性结合而实现生物固定，防止假体松动、下沉，延长人工骨及人工关节的使用年限。

本发明的第一个技术解决方案是钛合金人工骨及人工关节柄部和髋臼部表面涂复一层底釉，该底釉外表面再涂复一层生物活性材料，

a、钛合金底釉的化学成分范围（重量%）为：SiO₂35～45、B₂O₃5～25、K₂O6～18、Na₂O4～8、MgO1～6、CaO5～9、P₂O₅4～10、Li₂O1～5、CaF₂0.5～3、Al₂O₃1～3、MnO0.5～2、NiO0.5～2.5、CoO0.5～3，

b、生物活性材料由羟基磷灰石和生物活性微晶玻璃组成，其中羟基磷灰石占38～45%（重量比）。

c、生物活性微晶玻璃的化学成分范围（重量%）为：SiO₂30～60、CaO10～40、P₂O₅7～20、B₂O₃5～10、K₂O2～7、Na₂O4～9、Li₂O1～5、MgO1～4、TiO₂1～4、CaF₂0.5～2。

本发明另一个技术解决方案是生物活性涂层-钛合金人工骨及人工关节的制备方法，其制备工艺如下：

（1）采用分析纯或化学纯原料，按比例混合均匀，在1400℃温度下熔融，水淬，再加磨加剂制成底釉料浆，磨加剂由苏州土及碳酸钠组成，底釉料浆各成分及含量为底釉52.5%、苏州土7%、碳酸钠0.5%、水40%（重量比）。

（2）将钛合金人工骨或人工关节清洗后，采用浸搪法挂底釉料浆，经干燥后在850～900℃温度下烧成并保温5～10分钟取出冷却。

（3）采用分析纯或化学纯原料，按比例混合均匀，在1400～1500℃温度下熔融，水淬，干燥，在900℃温度条件下保温4小时，微晶化处理，自然冷却，经粉碎，过筛（160～200目），即成生物活性微晶玻璃。

（4）将羟基磷灰石粉与生物活性微晶玻璃粉按比例混合均匀得生物活性材料，再按重量%加入生物活性材料50%，蔗糖5%、水45%，制成生物活性料浆。

（5）将涂有底釉的钛合金人工骨或人工关节用浸搪法或浇注的方法涂上生物活性材料，经干燥送入电炉中在850～890℃温度和还原气氛中烧结5分钟，然后停止加热自然冷却。烧结生物活性材料时，在电炉中用水蒸汽或水，一氧化碳、氢气保持还原气氛。

生物活性涂层材料必须具备生物活性，故使其成分限制在一定的范围内。这样，其膨胀系数与钛合金相差甚大，且密着性也不好，不能直接涂复在钛合金表面。必须有过渡层，即将底釉先涂在钛合金表面，然后再把生物活性材料烧结在底釉表面上。

对底釉的要求是，其成分对人体无毒性;生物相容性好;其膨胀系数应为钛合金膨胀系数的60～80%;其烧成温度应略高于生物活性复合材料的烧成温度。本发明底釉的膨胀系数为307×10^-7/℃其烧成温度为900℃。

本方法使用的羟基磷灰石采用硝酸钙、磷酸钾、氢氧化钾反应合成。

合成产物首先生成分散相，再经诱导晶化生成羟基磷灰石。将产物干燥，煅烧后粉碎过筛（160～200目）。

羟基磷灰石具有优良的生物活性。但烧结困难，且强度低，难以单独涂复在钛合金表面。为此，把生物活性微晶玻璃与羟基磷灰石混合烧结，以改善烧结性能，并提高强度。这种生物活性微晶玻璃的成分能析出磷灰石及硅灰石等晶相。生物活性微晶玻璃的膨胀系数应是钛合金的60～70%，本发明生物活性微晶玻璃的膨胀系数为287×10^-7/℃。该生物活性材料烧结之后形成孔径范围为数拾微米到400微米的孔隙，孔隙率为20～30%。因此，将生物活性涂层-钛合金人工骨或人工关节植入人体之后人骨可长入生物活性材料的孔隙中形成骨性结合而实现生物固定。

本发明的生物活性材料生物相容性好，且有骨组织宜长入的孔隙，将生物活性涂层-钛合金人工骨或人工关节植入人体之后，人体骨可以长入生物活性复合涂层的孔隙中。故人体与人工骨或人工关节成为一体，建立骨性结合，实现了生物固定，较好地解决了植入假体之后假体松动与下沉的问题。

附图说明：

图1为本发明人工关节的示意图。

图2为生物活性复合材料与骨组织界面扫描电镜照片。

图3为生物活性复合材料中的骨胶元纤维的扫描电镜照片。

图4为生物活性复合材料表面见骨细胞的扫描电镜照片。

图5为生物活性复合材料与骨组织结合的断面照片。

图6为生物活性复合材料与骨组织结合界面电子探针成分分析图。

图7为生物活性材料断面孔隙照片。

图8为生物活性材料正交下晶体显微照片。

结合附图及实例进一步说明本发明的技术解决方案：

（1）熔制底釉：采用分析纯或化学纯原料按重量%分别取SiO₂42.83、B₂O₃11.79、Na₂O7.86、K₂O8.84、MgO3.73、CaO8.84、P₂O₅7.86、Li₂O1.96、CaF₂0.79、Al₂O₃1.96、MnO0.79、NiO0.79、CoO1.96混合均匀，在1400℃温度下熔融2小时，水淬得底釉材料。然后按重量%加入底釉52.5%，苏州土7%，碳酸钠0.5%，水40%混合均匀磨制即为底釉料浆。

（2）合成羟基磷灰石：用化学纯0.08MKOH、0.04MCa（No₃）₂、0.24MK₃PO₄混合均匀，搅拌，并保持PH为9制得羟基磷灰石，经干燥，煅烧后粉碎过筛（160～200目）。

（3）生物活性微晶玻璃的制取：采用分析纯或化学纯按重量百分比取SiO₂45.78、CaO20.36、P₂O₅10.68、B₂O₃8.14、Na₂O7.12MgO2.03、Li₂O2.03、CaF₂1.83、TiO₂2.03混合均匀，在1450℃熔融保温1小时后水淬，干燥，在900℃温度条件下保温4小时，微晶化处理，自然冷却，经粉碎，过筛（160～200目），即成生物活性微晶玻璃粉。

（4）烧制生物活性涂层。

①将钛合金人工骨或人工关节柄部和髋臼部清洗后，用浸搪法挂底釉，经干燥后，在900℃温度下烧成保温5分钟取出冷却。

②将羟基磷灰石粉与生物活性微晶玻璃粉按比例混合均匀制成生物活性材料。再按重量%加入生物活性材料50%、蔗糖5%、水45%，制成生物活性料浆。

③将涂有底釉的钛合金人工骨或人工关节采用浸搪法挂涂生物活性浆料，经干燥送入电炉中在890℃温度下通入水蒸汽、水、一氧化碳或氢气保持还原气氛中烧结5分钟，然后停止加热自然冷却。

附图1中可以看到本发明人工关节的结构，图1中1为钛合金臼，2为钛合金锁帽，3为高密度聚乙烯，4为钛合金柄，5为生物活性材料涂层。

本发明的生物活性材料烧结块断面电镜照片中可看到烧结状及散在的孔隙（图7）。经测定，孔径范围为数拾微米到400微米。孔隙率为20～30%。该材料经X射线衍射仪测定，其晶相主要为基磷灰石、硅灰石等（图8）。

本发明的生物活性-钛合金复合材料共用75只兔及4只狗作了动物实验，分别进行了生物相容性及生物活性复合材料和骨组织结合情况的观测。

1、生物相容性实验：

在20%乌拉坦全麻下，分别将生物活性复合材料及底釉和对照材料（钛合金片）植于兔骶棘肌内，分别于4周、8周、16周、24周取样，进行病理学检查。结果：试件周围组织未见明显炎性反应、坏死及腐蚀现象。试件周围纤维膜厚度不超过规定标准（0.03mm）。

2、生物活性复合材料与骨组织结合情况：

（1）组织学检查：

用哈尔滨型白兔，体重2.5～3.0kg，20%乌拉担麻醉，髂骨体部切口，凿槽，植入本材料，38天时取样（北京友谊医院协助制片）。结果：本材料周围可见增生骨细胞及骨茎质紧密附着，本材料边缘凹陷处亦有骨基质伸入（图2）。

（2）扫描电镜观察：

分别将本材料植于兔股骨大转子部、髂骨翼;将本材料的人工假体植入狗的股骨上端，分期取样，兔的标本制成块状，狗的标本经高压水切割为横截面，经消化法处理后在扫描电镜观察，植入后83天见界面已不清楚。骨组织向本材料中呈锯齿样伸入，微孔中有骨组织长入。植入后175天可见新生骨细胞（图3、4、5）。

（3）电子探针测试：

将本材料植入兔右股骨大转子部，分期取样，制成块状，喷碳处理。经哈尔滨工业大学分析测试中心，用JC×A-733电子探针在骨和本材料的界面进行线分析。分析100个点，每点距离1微米。检查Ca、P、Si、Na元素在分析位置上的强度变化情况，并在同样位置上进行Ca、P、Na、Si元素的定量分析。从线分析结果看，有元素的互相迁移（扩散）现象。如骨中Ca、P较本材料中高，在界面附近材料中的Ca、P向本材料中扩散。未见Na有明显的扩散现象。Ca、P在本材料中大约扩散20-25微米（图6）。

（4）X线检查：

在20%乌拉担麻醉下，暴露兔右桡骨中段，连同骨膜截骨1厘米，将本材料（与截除骨尺寸相当）嵌于缺损处，中以银丝缠绕固定，闭合创中。分期进行X线照像检查，术后1、2个月时，X线片未见明显变化，3个月时见材料与骨交界处影像模糊，在术后5个半月照片时，材料与骨界面消失，呈骨性愈合影像。

（5）同位素检查：

将植入本材料于右大转子部的兔6只，分别从耳静脉注射骨显像剂99mTC-MDP（99m-亚甲基二磷酸盐）12MBq/kg，3小时后先用PHO/GAMMA    HP    SKC-1型闪烁照像机进行双侧股骨大转子为中中的骨显像（右侧股骨大转子植入本材料）。然后在兔静脉注射空气处死。立即取右侧股骨大转子部的本材料及与其结合的骨质，同时在左侧股骨大转子部也取出部位相当、大小相似的骨质。用FJ-2003/50型γ兔疫计数器进行放射性测量。测出每克本材料中和股骨大转子骨组织中的每分钟放射性计数（CPm/g）。

从骨显像结果可见，植入本材料6个月的实验侧放射性明显高于对照侧放射性。

放射性测量（术后3个月和6个月的6只兔）放射性测量结果

cpm/g

兔号	植入后时间	实验侧（本材料）	对照侧（左侧股骨大转子）
				1	3个月	561811	1100000
2	＂	564814	1032186
				3	＂	1014760	1701112
4	6个月	3233333	249829
				5	＂	2983927	430439
6	＂	2449883	561646

从上表可见，术后3个月的3只兔本材料放射性不高。而术后6个月的3只兔本材料放射性明显高于对照侧的放射性。

以上骨显像和放射性测量等核素检查，证明骨显像剂99mTC-MDP在植入后6个月时已通过血供进入到本材料中，可能被吸附到本材料上。

本发明的产品从1988年11月开始应用于临床，在骨科应用19例，计有骨头无菌性坏死、骨折、骨肿瘤及瘤样病损、骨髓炎、骨关节结核及关节融合术等多种疾病，近期效果良好。

Claims (3)

1、一种生物活性涂层-钛合金人工骨、人工关节，其特征在于钛合金人工骨及人工关节柄部和髋臼部表面涂复一层底釉，该底外表面再涂复一层生物活性材料，

a、钛合金底釉的化学成分范围(重量%)为：SiO₂35～45、B₂O₃5～25、K₂O6～18、Na₂O4～8、MgO1～6、CaO5～9、P₂O₅4～10、Li₂O1～5、CaF₂0.5～3、Al₂O₃1～3、MnO0.5～2、NiO0.5～2.5、CoO0.5～3，

b、生物活性材料由羟基磷灰面和生物活性微晶玻璃组成，其中羟基磷灰石占38～45%(重量比)，

c、生物活性微晶玻璃的化学成分范围(重量%)为：SiO₂30～60、CaO10～40、P₂O₅7～20、B₂O₃5～10、K₂O2～7、Na₂O4～9、Li₂O1～5、MgO1～4、TiO₂1～4、CaF₂0.5～2。

2、一种制备权利要求1中生物活性涂层-钛合金人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于：

（1）采用分析纯或化学纯原料，按成分比例混合均匀，在1400℃温度下熔融，水淬，再加磨加剂制成底釉料浆，磨加剂由苏州土及碳酸钠组成，底釉料浆各成分及含量为底釉52.5%、苏州土7%、碳酸钠0.5%、水40%（重量比），

（2）将钛合金人工骨或关节清洗后，采用浸搪法挂底釉料浆，经干燥后在850～900℃温度下烧成并保温5～10分钟取出冷却，

（3）采用分析纯或化学纯原料，按比例混合均匀，在1400℃～1500℃温度下熔融，水淬，干燥，在900℃温度条件下保温4小时，微晶化处理，自然冷却，经粉碎，过筛（160～200目），即成生物活性微晶玻璃，

（4）将羟基磷灰石粉与生物活性微晶玻璃粉按比例混合均匀得生物活性材料，再按重量%加入生物活性材料50%、蔗糖5%、水45%，制成生物活性材料料浆，

（5）将涂有底釉的钛合金人工骨或人工关节用浸搪法或浇注的方法涂上生物活性材料，经干燥送入电炉中在850～890℃温度和还原气氛中烧结5分钟，然后停止加热自然冷却。

3、如权利要求2所说的方法，其特征在于烧结生物活性材料时，在电炉中用水蒸汽或水、一氧化碳、氢气保持还原气氛。

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