CN104523325A - 用于修复骨缺陷的装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于修复骨缺陷的装置及其制造方法，所述装置包括外套筒、内套筒、连接杆，外套筒的内径与需要植骨的管状骨缺损处的两端的外径相配合，内套筒位于外套筒内，外套筒的长度大于内套筒的长度，连接杆插在内套筒内，连接杆的直径与内套筒的内径基本相同，使得连接杆能够卡紧内套筒，连接杆的长度比内套筒的长度大0.5-2cm。所述内套筒和外套筒由可降解生物镁合金制成，所述内套筒和外套筒的表面覆有在人体内具有生物相容性的可降解高聚物膜。该装置具有非常良好的强度和生物相容性。

Description

用于修复骨缺陷的装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于修复有骨缺陷的骨骼、尤其是管状骨的装置及其制造方法，特别涉及使用特殊材质和骨修复介质。
技术背景
骨是人体内最重要的结缔组织之一，在保护体内器官、为肌肉提供附着、产生血液细胞等方面发挥着不可替代的作用。随着世界人口老龄化伴随而来的骨质疏松症等骨疾病，以及由于运动、事故和肿瘤切除造成的骨缺损与日俱增，其中大部分骨缺损需要使用用于骨修复或替换的装置或材料。
骨缺损治疗在世界范围内已经成为一个亟待解决的医学问题，其中大部分骨缺损需要使用骨修复或替换材料。骨缺损修复和替换材料的主要功能是修复、替代、或者扩增因疾病或损伤产生的肢体缺损，增进或恢复缺损组织的正常生理机能。骨缺损修复中骨再生主要按三种基本机制进行，即骨传导、骨生成和骨诱导。骨传导指新生骨组织沿生物相容性材料表面或孔隙爬行生长，骨传导主要发生在材料与宿主骨接触部位，其成骨作用有限。骨生成是指缺损部位的成骨性干细胞在生物活性表面发生定向分化并诱发骨再生的过程。
骨折愈合是指骨折断端问组织修复的过程，其最终结果是损伤的骨组织恢复正常的结构及生物力学功能，其中使断裂骨骼的端部进行再接合并重新对准。在需要恢复断裂骨骼的正常位置及功能时，就需要进行骨折修复。在骨折愈合阶段的整个过程中，必须将骨骼牢固地保持在正确的位置上并进行支撑，直到其足够强壮以支承重量。在没有恰当地修复骨折的情况下，有可能发生骨骼的错位，从而引起骨骼或身体那个区域关节的可能的身体功能障碍。
在以前，主要依靠模子和夹板从体外支撑骨骼。然而，无菌手术的发展降低了感染的风险，因此医生可以直接对骨骼进行处理，并且可以将材料植入体内。其包括使用内部固定装置，例如钢丝、板、棒、销、钉和螺钉来直接支撑骨骼，及将骨接合剂混合物或骨骼空隙填料加到骨折骨骼上。
骨折因缺损不愈合是骨科常见疾病，骨折不愈合的治疗是骨科医师面临的挑战之一。对于骨折因缺损造成的不愈合有多种治疗方法，其中植骨是最为常用、效果较好的治疗方法。目前对于管状骨的植骨方法是采用外固定架植骨，外固定架两端与管状骨缺损处的两端固定连接，在管状骨的缺损处放置截取的腓骨，腓骨由外固定架紧固。这种方法的缺点是腓骨与两端的管状骨之间没有髓内钉连接，植骨纤细、强度小、未愈合时活动受限。此外，部分骨折不愈合应用植骨治疗仍然不愈合，需要二次植骨手术，同时应用促进骨折修复机制再次启动的各种生物子，例如骨形态发生蛋白。该类药物价格昂贵，而且部分病例治疗效果不确切。
CN102389329A公开了一种更用于管状骨缺损愈合的植骨装置，其包括内外套筒和连杆。然而，在该专利文献中，套筒的材质为一般的可降解镁合金，难以兼顾生物相容性和机械强度，另外采用的自体松质骨为普通松质骨，修复性不理想。通过引用将该专利的全部公开内容并入本文。
CN1761433A公开了一种从前斜方插入椎间位置的修补装置，包括具有与第一脊椎骨在前斜方接合的第一法兰的第一元件，第一法兰相对于第一元件的横轴和纵轴成斜角，和具有与第二脊椎骨在前斜方接合的第二法兰的第二元件，第二法兰相对于第二元件的横轴和纵轴成斜角，其中第一和第二元件结合在一起，可以使第一和第二元件之间形成关节运动。
US4502161A公开了在其内部用不锈钢线束，尼龙或机织织物增强的硅橡胶，橡胶或聚四氟乙烯半月板修复体。所提出的材料具有较低的生物适应性和有可能引发严重的滑液的反应。
WO89/00413A1公开了由胶原类型I纤维的三维阵列构成的修复用的半月板，该胶原类型I纤维由聚合氨基多糖分子组成并且经由交联而互连。活体内，基质具有与天生的半月板基本上相同的外表面轮廓。基质提供部分可再吸收的适合于半月板纤维软骨细胞向内生长的架子。尽管其构造可以具有确定的形状和大小，然而其机械性能-特别是压缩模量-并不能接近于软骨的机械性能。
US4919667A公开了一种由聚酯与聚氨基甲酸酯结合构造的半月板修复体。该聚酯布置为多层的毡，其中一层或以上的中间层夹在也是聚酯的编织布顶层和底层之间。该聚酯和聚氨基甲酸酯很可能与US4502161A中报导的材料相比具有更好的生物相容性。
使用固定装置并且将骨修复介质加到骨折骨骼上用于修复骨骼是现有技术上是众所周知的。然而，传统的骨修复介质生物相容性和生物力学性能差，材料-骨组织界面也较差，并且固定装置也通常不具有良好的生物降解性和强度的平衡。本领域需要一种兼具有良好的生物降解性和强度的固定装置和骨修复介质。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，在现有技术的基础上，本发明人经过深入研究和大量实验，提出了如下技术方案：
在一方面，本发明提供了一种用于修复骨缺陷的装置，其特征在于，该装置包括外套筒、内套筒和连接杆，外套筒的内径与需要植骨的管状骨缺损处的两端的外径相配合，内套筒位于外套筒内，外套筒的长度大于内套筒的长度，连接杆插在内套筒内，连接杆的直径与内套筒的内径基本相同，优选使得连接杆能够卡紧内套筒，且连接杆的长度大于外套筒的长度，外套筒的长度比内套筒的长度大0.2-2.0cm，连接杆的长度比内套筒的长度大0.5-3.0cm。
优选地，所述内套筒直径为3mm-3.5cm，外套筒直径为4mm-5cm，长度为2-15cm。
优选地，所述内套筒(3)的壁厚为0.2-1mm，外套筒(2)的壁厚为0.3-0.8mm。
最优选地，所述内套筒和外套筒由可降解镁合金制成，优选连接杆也由可降解镁合金制成，所述镁合金为生物医用镁合金，其组分和质量百分含量如下：Sn 1.0-3.0％，Zn 0.6-0.8％，Mn 0.10-0.50％，Ca 0.10-0.50％，Nd 0.01-0.20％，杂质元素Fe＜0.0015％且Fe/Mn＜0.01、Cu＜0.001％和Ni＜0.002％，余量为Mg。
该镁合金中Nd的加入及其特定含量的选择可以显著减弱电偶效应腐蚀倾向，极大地提高合金的耐蚀性，本发明人经过进一步还研究发现，其腐蚀速率是不加Nd时腐蚀速率情况下的46％。另外，Ca的加入显著增强镁合金的耐蚀性，其表面膜层膜电阻提高达4倍。这些效果都是本领域技术人员所预料不到的。
所述镁合金可通过如下方法制得：
(1)按照上述质量百分比，采用纯镁锭、纯锡锭、纯锌锭、氧化钙、钕丝和Mg-Mn中间合金在熔剂保护下进行熔炼、铸造制成镁合金铸锭；
(2)将该镁合金铸锭在300℃-400℃保持3-5小时后进行多道次轧制预变形，每道次预变形量小于5％；
(3)将预变形后的镁合金进行固溶热处理，固溶处理温度为455℃-500℃，固溶处理时间为3-10小时，然后水淬、炉冷或空冷至室温；
(4)将步骤(3)得到产品进行时效处理，首先在400-440℃固溶处理1-6小时，水淬至室温，然后在80-100℃下首次时效16-24小时，随后在160-200℃下再次时效6-24小时，空冷至室温。
本发明人经过研究发现，所述特定量的锰的加入，可促进骨骼生长发育，保持正常的脑功能，还能维持正常的糖、脂肪代谢，改善机体的造血功能，还可以增强内分泌功能，维持甲状腺的正常功能，促进性激素的合成，调节神经反应能力。另外，本发明的镁合金层错能较低，材料的层错能越低就越容易产生生长孪晶，Sn、Zn和Mn等合金化元素的加入进一步降低了合金的层错能，使得合金在固溶热处理过程中易于形成大量生长孪晶，并且较小的变形量使得所形成的位错结构均匀地分布于基体内时，有利于形成非常细小的孪晶。
通过本发明方法制得的所述镁合金经固溶处理后，产生大量生长孪晶。晶粒内大量细小孪晶的存在有效地提高了该合金的强韧性，具有良好的综合力学性能，经测试，本发明的所述镁合金室温下抗拉强度为220MPa，伸长率为25％，另外具有较低的溶血率，溶血率仅为3.12％，完全符合生物材料溶血率要求，尤其适合于用作生物可降解性骨缺陷修复支撑材料。
在一个优选实施方面，所述内套筒和外套筒的筒壁为具有网孔的网状结构。所述网状结构的网孔的孔径优选为0.1-50μm之间，孔隙率优选为30-60％。
内套筒和外套筒之间优选填充骨修复介质。
所述骨修复介质优选为Ca2SiO4，其优选为超细粉体形式，粒径(或等效粒径)为30-150nm，其由β-Ca2SiO4和γ-Ca2SiO4粉体粉体构成，二者的重量比为1∶3-1∶10，并且粉体中游离CaO含量为0.15-0.25重量％。研究发现，当采用该特定CaO含量时，一方面，由于具有一定的游离CaO含量，可降低煅烧过程中的能量损耗，另一方面，通过将游离CaO含量限定在一定含量以下，使得可以有效避免遇水生成氢氧化钙，体积显著膨胀，造成在硬化的固体内造成局部膨胀应力、严重影响固化物的抗压强度。这样的效果是本领域技术人员所预料不到的。该骨修复介质的骨修复速度是普通市售Ca2SiO4的1.5倍以上，并且28天降解率达到40.1％，比常规Ca2SiO4高10％以上。
本发明的所述β-Ca2SiO4的制备方法为：用分析纯硝酸钙、硅溶胶、乙二醇、柠檬酸为原料，按CaO/SiO2化学计量比2∶1(摩尔比)称取适量硝酸钙和硅溶胶，用去离子水将硝酸钙溶解成近饱和溶液；用1.0mol/L的硝酸溶液调节硅溶胶pH值到1.8以下，按预算β-Ca2SiO4合成化学计量的25-35wt％称取乙二醇和柠檬酸(质量比优选为4∶6)，搅拌混合，将上述三种溶液混合，在60～65℃下加热、搅拌，蒸发除去水分；然后在40-80℃下密闭陈化2-60小时，在80-110℃真空条件下干燥10-30小时，并通过自蔓延燃烧将干燥块体粉化，最后将粉化样品再经800℃煅烧2小时，得到β-Ca2SiO4粉体。
本发明的所述γ-Ca2SiO4粉体的制备为：将分析纯碳酸钙用刚玉球球磨0.5-2.0小时，用48μm标准筛筛分，将粒度小于48μm的碳酸钙粉体在900-1100℃下煅烧1-5小时并快速冷却，得到氧化钙(CaO)粉体。按CaO/SiO2化学计量比2∶1(摩尔比)称量适量氧化钙粉体和硅酸溶液，按去离子水/氧化钙质量为(10-5)∶1将氧化钙粉体加入适量去离子水中，持续搅拌，再将称量好的硅酸溶液滴加到上述石灰悬浮液中。将配制的悬浮液在80-110℃、常压下加热搅拌2-8小时，再将沉淀过滤、烘干，最后在1200-1500℃下煅烧1-6小时，冷却后得到γ-Ca2SiO4粉体。
上述方法获得Ca2SiO4粉体具有最佳的活性和生物降解性。
将两种粉体按照上述比例混合均匀。
另外地，所述内套筒和外套筒的表面覆有在人体内具有生物相容性的可降解高聚物膜。该高聚物膜通过如下方法进行制备：
称取一定量的聚羟基丁酸戊酸酯和聚丁二酸丁二酯，其中聚羟基丁酸戊酸酯与聚丁二酸丁二酯的重量比为1∶5-2∶1(优选1∶1)，将二者的混合物溶于30-60℃的氯仿溶液中，搅拌并水浴加热1-10小时，静置脱泡，然后采用刷涂、喷涂、浸涂和流延法涂覆在内套筒和外套筒的表面，将经涂覆的内套筒和外套筒至于真空烘箱中于50-80℃放置8-15小时，从而在内套筒、外套筒表面形成共混薄膜，控制薄膜的厚度为0.01-0.2mm，然后用1-3mol/L的氢氧化铵溶液处理所述薄膜2-5小时以活化其表面，然后用去离子冲洗干净，再在50-80下真空干燥6-10小时，即得成品。
所述可降解高聚物膜的施加极大地提高了可降解镁合金的生物相容性，使其具有更广泛的应用。
在另一方面，提供了一种制造上述装置的方法，所述装置包括外套筒、内套筒和连接杆，使外套筒的内径与需要植骨的管状骨缺损处的两端的外径相配合，内套筒位于外套筒内，外套筒的长度大于内套筒的长度，连接杆插在内套筒内，连接杆的直径与内套筒的内径基本相同，使得连接杆能够卡紧内套筒，且连接杆(4)的长度大于外套筒(2)的长度，外套筒(2)的长度比内套筒(3)的长度大0.2-2.0cm，连接杆(4)的长度比内套筒(3)的长度大0.5-3.0cm。
优选地，向内套筒和外套筒之间填充骨修复介质。
附图说明
图1是根据本发明的用于修复骨缺陷的装置的结构示意图。
图2是根据本发明的用于修复骨缺陷的装置的使用状态图。
具体实施方式：
实施例1
如图1所示，所述用于修复骨缺陷的装置由外套筒2、内套筒3、连接杆4组成。外套筒2的两端套在需要植骨的管状骨缺损处的两端，并由螺钉5固定。内套筒3位于外套筒2内，连接杆4插在内套筒3内，连接杆4的直径与内套筒3的内径相匹配，连接杆4的两端插在管状骨1的髓腔中。连接杆4为杆状或柱状结构，一般可以采用髓内钉。内套筒和外套筒的筒壁为有网眼的网状结构，内套筒和外套筒由可降解的镁合金制作，可降解镁合金材质除植骨、增强固定稳定性作用外，还具有诱导骨生成作用，从而促进骨折愈合。内套筒3直径为3mm-3.5cm，外套筒2直径为4mm-5cm，长度为2-15cm。内外套筒、连接杆由市售可降解镁合金制成。
实施例2
如图1所示，实施例1的装置的使用方法如下：首先将患者自体优质松质骨填入外套筒2和内套筒3之间的空间；再将缺损的管状骨1向两端拉开，将外套筒2、内套筒3放置在管状骨1缺损位置，内套筒3的两端与管状骨1的两端中心相对；然后将缺损的管状骨1向中间对齐，使外套筒2的两端套在两端的管状骨1上；从管状骨1的一端沿着髓腔打入连接杆4，一般采用髓内钉，髓内钉从内套筒3中穿过，进入管状骨1的下部的髓腔，将两段管状骨1牢固连接起来；最后用螺钉5将外套筒2与管状骨1紧固连接。在内套管3和外套管2之间填充骨修复介质6(即植骨)，其由β-Ca2SiO4和γ-Ca2SiO4粉体构成，二者的重量比为1∶5，并且粉体中游离CaO含量为0.21重量％。经测试，在模拟体液中浸泡24小时内表面形成富硅层，并诱导磷灰石沉积。
对比例1
与实施例2的区别之处仅在于骨修复介质仅由β-Ca2SiO4构成(由Dancel公司提供)。经测试，在模拟体液中浸泡48小时才在表面形成富硅层，并诱导磷灰石沉积。
由上述对比清楚地可以看出，本发明的骨修复装置具有显著较好的骨修复速度，这样的效果是不曾预料到的。
本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，且可以包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例旨在处于权利要求书的范围之内。在不会造成不一致的程度下，通过参考将本文中参考的所有引用之处并入本文中。

Claims (10)

1.一种用于修复骨缺陷的装置，其特征在于，该装置包括外套筒(2)、内套筒(3)和连接杆(4)，外套筒(2)的内径与需要植骨的管状骨(1)缺损处的两端的外径相配合，内套筒(3)位于外套筒(2)内，外套筒(2)的长度大于内套筒(3)的长度，连接杆(4)插在内套筒(3)内，连接杆(4)的直径与内套筒(3)的内径基本相同，使得连接杆能够卡紧内套筒，且连接杆(4)的长度大于外套筒(2)的长度，外套筒(2)的长度比内套筒(3)的长度大0.2-2.0cm，连接杆(4)的长度比内套筒(3)的长度大0.5-3.0cm。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内套筒(3)的直径为3mm-3.5cm，长度为1-10cm；外套筒(2)的直径为4mm-5cm，长度为2-15cm。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述内套筒(3)的壁厚为0.2-1mm，外套筒(2)的壁厚为0.3-0.8mm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的装置，其特征在于，所述内套筒(3)和外套筒(2)由生物相容性良好的可降解镁合金制成。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述内套筒(3)和外套筒(2)的筒壁为具有网孔的网状结构。
6.根据前述权利要求中任一项的装置，其特征在于，内套筒和外套筒之间填充骨修复介质。
7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述骨修复介质为Ca2Si04超细粉体。
8.根据前述权利要求中任一项的装置，其中所述内套筒和外套筒的表面覆有在人体内具有生物相容性的可降解高聚物膜。
9.一种制造根据权利要求1-8中任一项的装置的方法，包括使用外套筒(2)、内套筒(3)、连接杆(4)构成所述装置，使外套筒(2)的内径与需要植骨的管状骨(1)缺损处的两端的外径相配合，内套筒(3)位于外套筒(2)内，外套筒(2)的长度大于内套筒(3)的长度，连接杆(4)插在内套筒(3)内，连接杆(4)的直径与内套筒(3)的内径基本相同，使得连接杆能够卡紧内套筒，且连接杆(4)的长度大于外套筒(2)的长度，外套筒(2)的长度比内套筒(3)的长度大0.2-2.0cm，连接杆(4)的长度比内套筒(3)的长度大0.5-3.0cm。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于，向内套筒(3)和外套筒(2)之间填充骨修复介质。
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