CN104507511A - 用于骨固定的可再吸收且不透辐射的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种接骨装置，所述接骨装置是可再吸收而且不透辐射的，并且是使用逐渐降解的材料制成的。所述装置包括由可再吸收材料制成的至少一个板和一组螺钉，其中所述板是由一种第一材料制成的，所述第一材料由一种包含以下的复合混合物组成：i)一种可再吸收聚合物或共聚物化合物以及ii)由至少一种可再吸收陶瓷组成的一种矿物装料；并且所述螺钉是由一种第二材料制成的，所述第二材料由至少一种可再吸收聚合物或共聚物化合物组成，所述第一材料和所述第二材料具有不同的组成，这样使得对应的杨氏模量是不同的。所述装置是完全可再吸收且不透辐射的，并且它提供高的安全性水平，从而在骨复位所需的整个时间段确保所述螺钉在所述板上和在骨头中的稳定且持久的固定。

Description

用于骨固定的可再吸收且不透辐射的装置

本发明属于外科手术设备的领域，并且更确切地说，涉及在骨修复中使用的固定系统。

本发明的主题是一种可再吸收且不透辐射的接骨装置，该装置是使用逐渐降解的材料的复合混合物制成的，该复合混合物包含至少一种聚合物或共聚物化合物以及由一种陶瓷提供的一种无机填料。

接骨术组合了使得可能在骨折、关节固定术或截骨术之后将两个骨结构固持在适当位置的所有过程。例如当不能通过外部操作进行还原(即，将彼此相对的骨端放回原处)或者两个断片不稳定时，使用这种接骨术。接骨术使用不同材料，这些材料使得可能在它们之间保持两个骨断片(或骨和植入物)：板、杆、钉、螺钉、销钉、夹子等。目的在于在解剖位置实现骨的复位。

板和螺钉接骨术已在骨外科手术中持续使用了数十年。这些板根据其布置可具有不同的形状(直的、长的、弯曲的、X形等……)并且通过具有不同直径和不同长度的螺钉固持。这些材料是使用身体耐受的材料制成，特别原因是在骨复位之后并不总是将其去除。

板和螺钉接骨术被认为是一种当可以完全完成时实现良好骨复位的可靠手段。为此，必须满足或者至少寻求一定数目的条件。首先，确保刚性固持是至关重要的。必须基于构成所使用的板的材料的强度性能来计算板的用以承受施加于有问题的区段的应力的厚度。例如，在肱部骨折的情况下，将通过厚金属板(例如3mm)进行固定。第二个条件是板必须紧密附接至骨，不管振动或其他可以形成动作的并致使螺钉松弛的应力，螺钉必须保持在适当位置。在以上提及的实例中，将利用三个至四个双皮层螺钉将板附接至骨的骨折病灶点两侧，因为肱部所经受的应力是相当大的。当然，螺钉的特征(形状、大小)是相对于它们所作用的板的特征来选择的。

所使用的材料也将起到重要作用。提供给外科医生的板和螺钉装置长期以来一直是由金属，通常是钛或不锈钢制成的。这些金属或金属合金尽管由身体完全耐受，但是存在两个缺点。在一方面，由于很少将板仅去除(情况大约占15％)，所以随着时间它牵涉其允许修复的器官的运动功能。现在，它保持在适当位置的事实意味着机械应力并不在有问题的骨头中均匀地传送。这导致在骨与板之间的接触点处(即，基本上在螺钉处)的骨的弱化。因此二次骨折是频繁的。

由合成的聚合物制成的系统的使用由于其较大的弹性而提供在此方面的改进。然而，在另一方面，这些聚合物所具有的机械应力比金属的弱、而且也比骨头的弱。它们的较低抗弯曲能力需要较大的厚度，以获得与金属部分相同水平的刚性。因此板和螺钉系统与其金属等效物相比通常是尺寸过大的。例如，用于手腕的一种金属板通常具有大约1mm的厚度，而在相同适应症下获得等效强度，由可再吸收聚合物制成的板将需要具有至少3mm的厚度。

在两种情况下，板都具有实质性的厚度，尽管利用金属系统已将该厚度尽可能地减小，但对于中期和长期而言，这会引起刺激在附近穿过的神经和/或肌腱的危险。这最后还可以导致所述神经或肌腱的断裂。

为了弥补这些缺点，提出基于使用可再吸收材料的一种替代方案。使用提供了最终完全可再吸收的优点的聚合物，即，它们在一段时间之后从身体中逐渐消失，该时间可以随着一种特定聚合物到另一种聚合物而不同，但是对于骨恢复其强度是足够的。例如，已知属于PLA(聚乳酸)和PGA(聚乙醇酸)家族的聚合物。

然而，无论是否可再吸收，聚合物的使用呈现出限制它们在外科手术中广泛使用的其他难题。

第一个问题来自于组装的稳定性。目前性能最好的金属螺钉和板系统是锁定系统。在此情况下，该螺钉包括在柄部的一个第一螺纹，该第一螺纹在穿透过程中起作用并且将该螺钉保持在骨中；并且它包括比该第一螺纹更精细的一个第二螺纹，该第二螺纹位于该螺钉的头部、固持在板的行进末端以将该螺钉锁定在其停止位置中。现在，聚合物板-螺钉系统不适用于这种类型的固定，在一方面，因为塑料技术不能批量生产具有这种精细特征的部件，并且在另一方面，因为材料的相对弱的强度是不够的。这是聚合物(特别是可再吸收的聚合物)与金属相比的一个显著的缺点。

其次，术后随访出现一个问题(且绝不是最小的问题)，因为聚合物是完全透辐射的。即使在某些情况(例如MRI)下这可以是一个优点，但通常来说，不能显现所植入的装置的位置显示出一个主要缺点。实际上，监测射线照片将不显示板也不显示螺钉，使得外科医生不能准确地知晓他刚刚放置就位的材料所处的位置，随着时间过去也不能查证关于骨头的固定状态和变化。然而，这种监测对于患者的长期安全性是至关重要的。

当求助于可再吸收的聚合物时，外科医生不能查证所植入的系统的再吸收进展的事实加剧了先前所提及的缺点。现在，可能发生的是螺钉比板更快降解。这可能导致该板从其植入区域中移出并引起炎症。因此当使用一种可再吸收板和螺钉系统时监测是同等重要的。

因此外科医生对可再吸收聚合物装置的信心并未增加，尽管所植入的材料的逐渐消失在骨复位阶段过程中以及在骨治愈之后的长期过程中均显示对患者而言的一个显著优点。

本发明的目的在于提出一种可再吸收的板-螺钉系统，该系统使得有可能通过调解各种已确定的约束条件且不失去现有系统已建立的优点来克服刚刚陈述的问题。具体地说，希望得益于可再吸收的性质，同时提供高的安全性水平，从而在骨复位所需要的整个时间段确保螺钉与板的和在骨中的强而持久的固定。因此一个目的在于能够实现螺钉在板中的锁定。另一个目的在于使得可能监测板和螺钉在其降解过程中的位置。此外，希望获得接近于骨结构的机械特性的改进的机械特性，具体地说是关于弹性性质。为此，已开发一种由完全可再吸收的、至少部分不透辐射的材料制成的板和螺钉装置，该装置的机械强度得以提高。

更确切地说，根据本发明的骨固定装置包括由可再吸收材料制成的至少一个板和一组螺钉，其中

-所述板是由一种第一材料制成的，该第一材料由一种包含以下的复合混合物组成：i)一种可再吸收聚合物或共聚物化合物以及ii)由至少一种可再吸收陶瓷组成的一种无机填料，

-并且所述螺钉是由一种第二材料制成的，该第二材料是由至少一种可再吸收聚合物或共聚物化合物组成，

所述第一材料和所述第二材料具有不同的组成，这样使得对应的杨氏模量是不同的。

通过与牙科学中所使用的表达的类似性，将复合混合物定义为包含嵌入一种有机(或合成)基质中的多种无机填料的一种材料。以一种独特的方式，发现可以组合不同种类的可再吸收材料(一种是有机的、另一种是无机的)来获得完全可再吸收且不透辐射的、同时具有完全符合要求或甚至比目前使用的某些系统更好的机械特征的接骨材料。

在外科手术中一种材料的可再吸收性质被定义为它所具有的在身体中逐渐降解的特性。在此情况下，这些聚合物降解同时释放出身体能够消除而没有任何不利作用的水和二氧化碳。至于陶瓷，它们释放钙、磷酸盐以及较少量的其他离子，这些物质大部分整合到邻近的骨中。而且，有时碰到术语生物可吸收的或生物可降解的并且这些术语表示在生物环境中发生降解。降解速度根据物体的大小以及材料本身而为可变的。本领域技术人员知晓用于治疗应用的多种材料并且将这些材料描述为可再吸收的，这些材料在与体内的水接触时在或长或短的时间段内逐渐消失，并且具体地说与骨复位相容。

可再吸收陶瓷目前并且常规地在外科手术中用作用于填充骨的一种材料。它们以不同形式(浆糊、凝胶、粉末，或者呈实心立方体、杆或楔形形状)提供以塞住间隙，并且通过形成骨细胞将定殖的一种多孔结构来增强。它们强化骨同时用作对在它们降解时替换它们的新细胞的支撑，同时释放离子，这些离子进而参与骨重建。这种类型的材料是非常脆弱和易碎的，并且不用于制作结构性植入物。

已证明在此定义的复合混合物赋予骨固定装置与已知的可再吸收装置的机械特性不同的机械特性。这首先通过以下事实得到证明：本发明中所使用的材料表现出比全部由聚合物制成的板更高的杨氏模量，该杨氏模量随可再吸收陶瓷填料的增加而增大。通过这样做，弹性变形能力减小，即，该材料比聚合物本身更具刚性。该弹性模量与金属的弹性模量不能相比，它比聚合物部分的模量大两至三倍，这使得它更接近于骨的固有特征。此外，它有更大的延展性，这意味着它可以经受一定的变形而不会断裂。这对于螺钉的坚固性具有一定优势。

由一种第二材料制成的螺钉对于其部分而言可以是基于可再吸收聚合物或共聚物化合物来形成的，这对于单独的或在混合物中的所述化合物是可能的。即便如此，选择第一材料和第二材料以使得它们的杨氏模量显示至少0.5GPa的差异。

优选地，所述第一材料和所述第二材料的杨氏模量之间的差异是至少1GPa。

具体地说，旨在将板保持在有待接合的骨端上的螺钉可以是简单地由合成材料制成的，尽管在此情况下，仅它们所固持的板是通过射线照相技术可见的。这些螺钉也可以是由一种与板不同的复合混合物组成的，该复合混合物包含一种无机填料，例如一种可再吸收陶瓷。因此，根据为本发明的主题的装置的一个优选特征，这些螺钉是由一种第二材料制成的，该第二材料由一种可再吸收聚合物或共聚物化合物与由至少一种可再吸收陶瓷组成的一种无机填料的复合混合物组成。

该有机基质(板的基质，并且在适当情况下是螺钉的基质)可以是由至少一种简单聚合物(由一种单一类型的单体形成)组成或者是由至少一种共聚物(由两种或甚至更多类型的单体形成)组成。此类化合物是已知的，它们在以下统称为“聚合化合物”，这些化合物通常用于制作接骨板和螺钉。它们基本上是聚乳酸和聚乙醇酸以及其共聚物。

因此，根据本发明，如果合成化合物是一种聚合物，则它可以有利地选自聚乳酸(PLA或聚交酯)、聚二噁烷酮(PDO)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)、聚乙醇酸(PGA或聚乙交酯)以及聚已内酯。

同样地，如果合成化合物是一种共聚物，则后者可以是由选自以下的至少两种单体制成的：对映体纯的或外消旋的乳酸、二噁烷酮、三亚甲基碳酸酯、乙交酯以及己内酯。

选择用于有机基质的材料也可以是通过两种或甚至若干种聚合物或共聚物的物理组合来获得的。在此情况下，将所选择的聚合化合物混合并且形成一种均匀的物质。因此，根据本发明的一个具体实施例，构成板和螺钉的可再吸收材料可以包含两种不同的可再吸收聚合物或共聚物化合物。

如以上已指示的，骨固定装置(或至少板)包含一种无机填料，该填料也将是可再吸收的并且将赋予其不透辐射性。以一种优选的方式，至少一种可再吸收陶瓷是选自磷酸钙、硫酸钙、磷酸锶以及硫酸锶、或本领域技术人员已知的任何其他可再吸收的无机填料。这些陶瓷的生物相容性是已知的。它们被并入到粉末形式的聚合物基质中。

可以在数量和类型方面改变无机填料，以与其所设计针对的每个骨区段处的特定装置的规格相对应。可以按照一种特别有利的方式利用这种修改的可能性，通过选择用于板和用于螺钉的不同组合物以使得对应的杨氏模量不同而提高固定的坚固性。实际上，板的材料与螺钉的材料之间的模量差异将使得可能实现螺钉在板中的更好抓握。螺钉被压入到板中并且可以被视为是像锁定的金属板-螺钉系统一样锁定的。螺钉与板之间的无机填料的10个点以及更多的差异提供了在螺钉与板的对应杨氏模量之间的差分为至少0.5GPa的恰当锁定。优选多于20个点(point)的差异，其中在此情况下，差分为约至少1GPa。然而，将不超过50个点的差异，在超过此值时含有最高数量的陶瓷的部分变得太刚硬且易碎。

因此，根据为本发明的主题的装置的一个有利特征，板的陶瓷含量比螺钉的陶瓷含量大至少10个点，并且优选大至少20个点，所述差异并不超过50个点。

以一种有利的方式，根据本发明，板包含10％至60％的陶瓷。优选地，它可以包含相对于复合混合物的总重量按重量计25％至35％的陶瓷。这些比例被选择为不同机械特征最佳组合(特别是刚性/延展性比)的那些，以满足本发明的目的。本领域技术人员将知晓如何根据特定需要、根据聚合化合物的化学性质和陶瓷粉末的规格来调整这些比例。

这样，这些螺钉可以包含0％至30％的陶瓷。优选地，螺钉的陶瓷含量可以固定在相对于复合混合物的总重量按重量计从5％至15％的范围的水平下。因此，存在不那么富含无机填料的一种复合混合物：考虑到这些部分的小尺寸，如果使用与在板中相同的陶瓷量，这些部分会断裂。这种组合物还赋予螺钉更好的抗扭强度以承受旋入而没有损害。

两个另外的主要优点是基于此陶瓷含量相对于板的陶瓷含量而言更小。第一个优点是，由此引起的弹性模量的差异确保螺钉在板中的抓握改进，从而实现有效的锁定。

第二优点是，该部分的降解速度是更大的，尤其是在复合混合物的聚合物含量减小时。

这揭示了通过调节为本发明的主题的装置的不同部分中的无机填料与有机基质的比来监测再吸收速度的可能性。首先，可以选择使得可能获得根据预定和所选择的速率进行的降解的组分。第二，并且以一种特别有利的方式，可以区分不同部分(螺钉和板)的再吸收速度。因此将避免在板-螺钉系统的降解过程中，螺钉比板更快地降解并避免板以完全不希望的方式移出植入部位。

根据本发明，这种类型的缺点可以通过选择这些组合物以使得板的复合混合物比螺钉的复合混合物更快地降解来解决。对于此目的陶瓷含量可以是一个调整因子，复合物包含的陶瓷越多，则其全部降解的越快。另一个参数可以是常规使用的，即陶瓷本身的选择。

例如，由于β-磷酸三钙所具有的降解速度大于钙锶羟磷灰石的降解速度，前者将有利地用于板并且后者用于螺钉。以这种方式，板比螺钉更快地降解，因此消除了板从植入部位移出的风险。根据一个特别有利的实施例，在根据本发明的装置中，除合成聚合物或共聚物化合物之外，

-所述板的无机填料还可由β-磷酸三钙组成，并且

-所述螺钉的无机填料还可由钙锶羟磷灰石组成。

最后，建议仔细选择聚合物的性质，因为它在若干层面上是极为重要的。实际上，一种金属板是惰性的并且没有将新的组分带入到人体中，而相反地，一种可再吸收板将释放单体和寡聚物。它还可以破裂成小片，从而引起继发性炎症反应。所有这些都促使限制外科医生的信心。

出于这个原因，根据一个优选的特征，板和螺钉由包含一种70:30聚(L-丙交酯-共-D,L-丙交酯)和一种陶瓷无机填料的一种复合混合物组成。这些共聚物是由按质量计70:30比率的乳酸的对映体纯的L-异构体和外消旋物获得的热塑性脂肪族聚酯，它们具有接近于100聚(L-丙交酯)的机械特性的机械特性，并且与后者不同它们表现出在整个降解过程中保持无定形状态的优点。正因为如此，它们从外至内逐层降解，释放可以由身体吸收的乳酸和乙醇酸以及寡聚物，而不会产生可引起继发性炎症反应的小颗粒。

借助于将结合附图给出某些变型实施例的说明，将更好地理解本发明，在附图中：

-图1是一个接骨装置的透视图，包括一个桡骨板以及该接骨装置的螺钉中的一个。

-图2是示出用于本发明的一种复合混合物的杨氏模量(以GPa计)随无机填料变化而演变的图。

-图3是示出用于本发明的一种复合混合物的断裂前最大伸长率随无机填料变化而演变的图。

实例1：具有透明螺钉的桡骨板

生产一种由复合混合物组成的前桡骨板，该复合混合物由70％聚(70/30；L/DL)丙交酯和30％β-磷酸三钙组成。从赢创公司(EVONIK)获得该共聚物(RESOMER LR)。所使用的陶瓷是由泰克尼公司(TEKNIMED)制造的β-磷酸三钙。将基质和陶瓷化学地混合。通过注射模制使用所获得的粉末。在图1中表示所获得的板1。

通过注射模制使得由聚(70/30；L/DL)丙交酯(RESOMER LR，由赢创公司(EVONIK)供应)制成的一组可再吸收但不透明的螺钉2成形。在图1中表示这些螺钉中的一个2。

两种材料的杨氏模量被确定为：板的复合混合物是5.4GPa，与之相比螺钉的聚合物材料是3.2GPa，或者差分是2.2GPa。对合成骨模型进行模拟，已证明锁定是优异的。破坏模式实际上是板的断裂而不是螺钉的未锁定。

通过植入在九只羊的桡骨上来测试该装置并且观察其演变一年。该板在所有动物中在3个月、6个月以及1年时显示完美的生物整合(一种材料被活细胞定殖的能力)。而且，在植入一年之后，发现板比螺钉显著更多地降解；甚至在一种情况下，板被完全再吸收。

还观察到螺钉保持与它们所插入的板完全牢固地连接：螺钉在一年之后仍然锁定在板上。

实例2：具有不透明螺钉的桡骨板

生产一种由复合混合物组成的前桡骨板，该复合混合物由50％聚(70/30；L/DL)丙交酯和50％β-磷酸三钙组成。从赢创公司(EVONIK)获得该共聚物(RESOMER LR)。所使用的陶瓷是由泰克尼公司(TEKNIMED)制造的β-磷酸三钙。将基质和陶瓷化学地混合。通过以与实例1中相同的形状(图1)注射模制来使用所获得的粉末。

生产一组由复合混合物组成的可再吸收且不透明的螺钉，该复合混合物由90％聚(70/30；L/DL)丙交酯和10％钙锶羟磷灰石组成。由赢创公司(EVONIK)供应该共聚物(RESOMER LR)。钙锶羟磷灰石是由泰克尼公司(TEKNIMED)制造的。将基质和陶瓷化学地混合。通过注射模制使用所获得的粉末。

实例3：杨氏模量和伸长率的演变

根据与实例1相同的方案制备一系列复合混合物，这些混合物包含不同含量的一种共聚物(在此情况下是聚(70/30；L/DL)丙交酯)和一种陶瓷(在此情况下是TCP(β-磷酸三钙))。

图2所示的图示出了杨氏模量(以GPa计)的演变。

图3所示的图示出了断裂伸长率(以％计)的演变。

复合混合物表现出比100％聚合物材料更高的杨氏模量，并且它随着可再吸收陶瓷填料增加而增大。相反，当陶瓷浓度增加时，最大伸长率减小。陶瓷浓度增加越多，材料变得越坚硬和易碎。

这证明以下使用方式的优势：根据本发明，使用更加富含陶瓷的复合混合物来制造板以便优先获得刚性，而使用相对不那么富含陶瓷的复合混合物来制造对其而言优先获得弹性是更重要的螺钉。

Claims (15)

1.-一种包括由可再吸收材料制成的至少一个板和一组螺钉的骨固定装置，其特征在于

-所述板是由一种第一材料制成的，所述第一材料由一种包含以下项的复合混合物组成：i)一种可再吸收聚合物或共聚物化合物以及ii)由至少一种可再吸收陶瓷组成的一种无机填料，

-并且所述螺钉是由一种第二材料制成的，所述第二材料由至少一种可再吸收聚合物或共聚物化合物组成，

所述第一材料和所述第二材料具有不同的组成，这样使得对应的杨氏模量是不同的。

2.-如权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一材料和所述第二材料的杨氏模量之间的差异是至少0.5Gpa。

3.-如权利要求2所述的装置，其特征在于所述第一材料和所述第二材料的杨氏模量之间的差异是至少1Gpa。

4.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述螺钉是由一种第二材料制成的，所述第二材料由一种可再吸收聚合物或共聚物化合物与由至少一种可再吸收陶瓷组成的一种无机填料的一种复合混合物组成。

5.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述聚合物化合物是选自聚乳酸、聚二噁烷酮、聚三亚甲基碳酸酯、聚乙醇酸以及聚已内酯。

6.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述共聚物是由选自以下项的至少两种单体制成的：对映体纯的或外消旋的乳酸、三亚甲基碳酸酯、乙交酯、二噁烷酮以及己内酯。

7.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述至少一种可再吸收陶瓷是选自磷酸钙、硫酸钙、磷酸锶以及硫酸锶。

8.-如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于按所述板的重量计的陶瓷含量比按所述螺钉的重量计的陶瓷含量大至少10个点，所述差异不超过50个点。

9.-如以上权利要求所述的装置，其特征在于按所述板的重量计的陶瓷含量比按所述螺钉的重量计的陶瓷含量大至少20个点，所述差异不超过50个点。

10.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述板包含相对于所述复合混合物的总重量按重量计10％至60％的陶瓷。

11.-如以上权利要求所述的装置，其特征在于所述板包含相对于所述复合混合物的总重量按重量计25％至35％。

12.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述螺钉包含相对于所述复合混合物的总重量按重量计0％至30％的陶瓷。

13.-如以上权利要求所述的装置，其特征在于所述螺钉包含相对于所述复合混合物的总重量按重量计5％至15％。

14.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于

-所述板的所述无机填料由β-磷酸三钙组成，并且

-所述螺钉的所述无机填料由钙锶羟磷灰石组成。

15.-如以上权利要求之一所述的装置，其特征在于所述板和所述螺钉由包含一种70:30聚(L-丙交酯-共-D,L-丙交酯)和一种陶瓷无机填料的一种复合混合物组成。