CN107496981A - 一种新型材料的人工角膜支架及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于该人工角膜支架的主要材料为氧化锆陶瓷。本发明是以氧化锆陶瓷为人工角膜的支架材料、并以柱镜裙边支架嵌入粘合形式设计，从而达到更好的生物相容性能、力学强度、和手术效果。再另一方面，本发明还以光聚合与化学聚合双固化树脂粘结剂技术，粘接以氧化锆陶瓷为原料的人工角膜裙边支架和以PMMA为材料的透明柱镜体，避免了以往需要较大创面及二次手术的卡环锁接技术。因此本发明一种新型材料的人工角膜支架及其应用兼具良好生物相容性、良好的力学强度、及方便使用的优点。

Description

一种新型材料的人工角膜支架及其应用

技术领域

本发明涉及一种新型的人工角膜支架、氧化锆陶瓷在制备这样的人工支架中的用途、以及在人体的应用形式。

背景技术

角膜是眼睛最前面的透明部分，是眼球与外界接触面积最大的部位，整个屈光力占全眼球的70%。各种感染性和非感染角膜炎、角膜变性、角膜营养不良、圆锥角膜、眼外伤以及由于眼睑和泪液原因引起的干眼病导致的角膜损伤可导致永久性的视力丧失、甚至角膜盲。同种异体角膜移植是目前角膜盲复明的有效方法。根据世界卫生组织报告，目前中国因角膜病引起的视力问题患者约为168万人，其中30%完全视力丧失。尽管术后常规局部和/或全身使用抗排斥药物，排斥率仍高达60%以上，植片存活率不足50%。对于角膜移植无法成功的病例（终末期角膜盲），国内外一般采取放弃治疗。人工角膜是替代角膜发挥光学作用的人工装置，其严重的并发症和手术风险，使应用受到限制。

现有技术中，已有各类人工角膜被用于人体的角膜移植。人工角膜的基本结构由中央透明光学柱镜和周边裙边支架两部分组成，其中支架材料的良好生物相容性及理化特性是人工角膜植入成功的关键，人工角膜的结构则与治疗的便利与效果关系密切。

现有技术的人工角膜支架材料多为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、生物材料包括牙齿及骨组织等。目前国际上最常用的人工角膜Boston Keratoprosthesis （Boston KPro）(Ref: Dohlman C, Harissi-Dagher M. Digital J Ophalmol. 2007;13:3.)以及美国专利US5354332A公开了以PMMA为材料的人工角膜裙边支架。Strampelli和Casey 等专家曾公开了以病人自体牙齿及周围骨组织为人工角膜支架材料的技术（Ref:Strampelli B. Am JOphthalmol. 1963;89:1029-1039. Ref: Casey TA. Proc R Soc Med. 1966;59:530-531.）。美国专利US4772283和中国专利公告CN106139249A也公开了一种以有机聚合物为材料的人工角膜支架。美国专利US6106555、美国专利US6251117、和中国专利公告CN104665956A公开了一种以动物角膜为材料的生物型人工角膜支架。美国专利2016184084也公开了一种以人工合成胶原为材料的人工角膜支架。美国专利20060287721、美国专利20110125260、中国专利公告CN104368046A、和CN106421924A也公开了一种以水凝胶为材料的人工角膜支架。中国专利公告CN10596379A也公开了一种以生物活性甲壳素为材料的人工角膜支架。Iakymenko, Huang, 及Ghaffariyeh等发表的人工角膜采用钛合金为其支撑支架（Ref: Iakymenko S. Int J Ophthalmol. 2013;6(3):375-380.Ref: Huang Y atal. Ophthamolo. 2011;249(1):93-101. Ref: GhaffariyehA. Et al. Grafes ArchClinExpOphthalmol. 2011;249(1):93-101.）。新一代的Boston KPro也以钛合金薄板取代PMMA支架（Ref: Cruzat A. et al. Cornea. 2013;32(12):1531-1536.）。但是，尽管这些材料能形成支架，在实际应用中仍存在较多问题。譬如PMMA材料的人工角膜支架生物相容性较差、不利于细胞粘附生长，且不能耐受高压蒸汽消毒；人体牙齿与骨组织的抗弯强度低，且使用中不易操作；有机聚合物的降解中释放的单分子游离酸易导致组织的酸性环境，不利于细胞的生长；动物源组织则不易被消毒，具有病原体传播的潜在风险，且降解产物可为变异原，引起组织的炎性反应；水凝胶支架则缺乏足够的抗压强度，不足以支撑必要的仿生三维空间；钛合金薄片的抗变形性能差，难以提供稳定的人工角膜固位 。

现有技术的最常见人工角膜结构为分体卡环型，需多次手术，部分技术仍需要供体的角膜移植。

综上，以往用于人工角膜支架材料多为聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、牙齿、骨组织、人工合成胶原、水凝胶、甲壳素、及钛合金。这些材料分别存在生物相容性较差、来源有限、抗压与抗弯强度不足等缺陷，且为手术带来不便。现有技术中仍然迫切需要一种兼有良好的生物相容性、良好的抗弯强度、良好的抗压强度、容易消毒和使用、来源充沛、并可一次性完成手术的人工角膜。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种兼具良好生物相容性、良好的力学强度、及方便使用的新型材料的人工角膜支架及其应用。

本发明的目的是这样实现的：

一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于该人工角膜支架的主要材料为氧化锆陶瓷。

作为一种优选，所述氧化锆陶瓷的成分包含二氧化锆。

作为一种优选，所述氧化锆陶瓷的成分另外还包含二氧化鉿、氧化钇或者两者的组合。

作为一种优选，人工角膜支架通过一次或二次烧结成型。

作为一种优选，人工角膜支架以手工或计算机辅助3D切割方式成型。

作为一种优选，人工角膜支架为非卡环锁扣的柱镜裙边支架嵌入粘合形式。

作为一种优选，人工角膜支架与透视柱镜体以氧化锆陶瓷引物底料处理氧化锆陶瓷表面，以双重固化树脂粘合剂粘接。

作为一种优选，人工角膜支架为圆形、椭圆形或各类不规则形态，含有或者不含有各种不同类的孔或空窗，与透视柱镜一体型或各种类型的分体型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明是以氧化锆陶瓷为人工角膜的支架材料、并以柱镜裙边支架嵌入粘合形式设计，从而达到更好的生物相容性能、力学强度、和手术效果。

本发明人开创性的首次采用氧化锆陶瓷制作人工角膜的裙边支架。氧化锆陶瓷以往从未被用于或报导用于人工角膜的支架制作。

氧化锆陶瓷具有良好的生物相容性、高韧性、高抗弯强度、高耐磨性、极高的化学稳定性、良好的形态稳定性，符合人工角膜所需的生物特性与理化特性，且材料来源充足、价格适宜。

本发明中氧化锆陶瓷的使用，确保了制作超薄的人工角膜裙边支架，并使其拥有良好的强度，以利于手术的应用。

另一方面，本发明还以氧化锆陶瓷为原料制作了新型的人工角膜形态结构，以方便一次性完成人工角膜手术。

再另一方面，本发明还以光聚合与化学聚合双固化树脂粘结剂技术，粘接以氧化锆陶瓷为原料的人工角膜裙边支架和以PMMA为材料的透明柱镜体，避免了以往需要较大创面及二次手术的卡环锁接技术。

具体实施方式

本发明涉及的一种新型材料的人工角膜支架，该人工角膜支架的主要成分为氧化锆陶瓷。

本发明首次证明和有效采用氧化锆陶瓷制作人工角膜裙边支架。氧化锆陶瓷主要成分为二氧化锆，可含有少量的二氧化鉿和氧化钇。在常压下，纯二氧化锆可有三种晶态：单斜氧化锆、四方氧化锆和立方氧化锆，三种晶型在不同的温度范围可发生相互相变。

将纯氧化锆粉体加入助熔剂和稳定剂，助熔剂可为SiO₂、CaO、Al₂O₃、Na₂O，稳定剂可为CaO、MgO、或Y₂0₃。氧化锆粉体与助熔剂和稳定剂的质量份数配比为80-90份ZrO₂、4.5-5.5份Y₂0₃、0.2-0.3份Al₂O₃、0.08-0.012份SiO₂、0.02-0.03份Na₂O。以等静压成型工艺成型，工艺为置氧化锆粉体于不锈钢模具中，在粉末压片机上以300 MPa的压力制备模块，保压时间3分钟，随后采用无压烧结形成氧化锆陶瓷模块。

烧结温度依二种工艺分别为：

1、一次烧结成型。烧结温度以100℃/小时的速度递增至1100℃，达到四方相晶体形态，然后进行手工或3D切割，形成人工角膜裙边支架。

2、二次烧结成型。第一次烧结温度以50-90^oC/小时的速度递增至850℃，达到单斜相晶体形态，用于手工或3D切割，形成按相转变体积变化率设定的人工角膜裙边支架模型，然后第二次烧结以50-100℃/小时的速度递增温度至1100℃，达到四方相晶体形态制品。

获得的氧化锆陶瓷人工角膜裙边支架的各项性能数值为：密度5-8 g/cm、抗折强度1000-1200 MPa、抗压强度 2000-2400 MPa、断裂韧性 6-12MPa·m^1/2、维氏硬度1100-1200 MPa。

上述的新型材料的人工角膜支架的配比的三个实施例：

实施例一：

配置粉体配比80份ZrO₂、4.5份Y₂0₃、0.2份Al₂O₃、0.012份SiO₂、0.03份Na₂O。以300 MPa等静压制备模块，保压时间3分钟。A组以一次烧结成型，以100℃/小时的速度递增至1100℃。然后进行手工或3D切割，形成人工角膜裙边支架。B组以二次烧结成型。第一次烧结温度以50℃/小时的速度递增至850℃，用于手工或3D切割，形成按相转变体积变化率设定的人工角膜裙边支架模型，然后第二次烧结以50℃/小时的速度递增温度至1100℃。获得的氧化锆陶瓷人工角膜裙边支架的A组与B组的各项性能数值分别为：密度6.2和7.1 g/cm、抗折强度1121和1158 MPa、抗压强度 2190和2233 MPa、断裂韧性 7.2和9.3 MPa·m^1/2、维氏硬度1154和1189 MPa。

实施例二：

配置粉体配比85份ZrO₂、5份Y₂0₃、0.25份Al₂O₃、0.012份SiO₂、0.03份Na₂O。以300 MPa等静压制备模块，保压时间3分钟。A组以一次烧结成型，以80℃/小时的速度递增至1100℃。然后进行手工或3D切割，形成人工角膜裙边支架。B组以二次烧结成型。第一次烧结温度以70℃/小时的速度递增至850℃，用于手工或3D切割，形成按相转变体积变化率设定的人工角膜裙边支架模型，然后第二次烧结以60℃/小时的速度递增温度至1100℃。获得的氧化锆陶瓷人工角膜裙边支架的A组与B组的各项性能数值分别为：密度6.9和7.8 g/cm、抗折强度1134和1151 MPa、抗压强度 2110和2189 MPa、断裂韧性 8.3和9.6 MPa·m^1/2、维氏硬度1123和1145 MPa。

实施例三：

配置粉体配比90份ZrO₂、5.5份Y₂0₃、0.3份Al₂O₃、0.09份SiO₂、0.025份Na₂O。以300 MPa等静压制备模块，保压时间3分钟。A组以一次烧结成型，以90℃/小时的速度递增至1100℃。然后进行手工或3D切割，形成人工角膜裙边支架。B组以二次烧结成型。第一次烧结温度以70℃/小时的速度递增至850℃，用于手工或3D切割，形成按相转变体积变化率设定的人工角膜裙边支架模型，然后第二次烧结以70^oC/小时的速度递增温度至1100℃。获得的氧化锆陶瓷人工角膜裙边支架的A组与B组的各项性能数值分别为：密度7.2和7.8 g/cm、抗折强度1132和1114 MPa、抗压强度 2211和2231 MPa、断裂韧性 8.1和8.4 MPa·m^1/2、维氏硬度1151和1167 MPa。

以手工或计算机辅助（CAD/CAM)的3D切割方式，将单斜相晶体或四方相晶体氧化锆陶瓷块按人工角膜裙边支架设计形态切割成型。以单斜相氧化锆陶瓷块切割的支架按相变体积缩小率设定相应体积增幅，编入3D程序并切割。

以氧化锆陶瓷制作的人工角膜支架可为圆形、椭圆形、或各类不规则形态，可为各种厚度，可含有各种不同类的孔或空窗，可为与透视柱镜一体型或各种类型的分体型，可为各种尺度，也可与其他任何材料混合使用。

本实施中的支架型态仅为一个案例，氧化锆陶瓷在人工角膜支架制备中的创新应用，不仅局限于这一外形的支架，而是可被用于任何类型、型态、或外形的人工角膜支架。

本发明实施中，氧化锆陶瓷人工角膜裙边支架与PMMA透视柱镜体链接采用创新的粘接方式达到，避免了常规的金属卡环锁扣等链接方式常规的金属卡环锁扣等链接方法需要二次手术，且手术创面较大。本发明的以柱镜裙边支架嵌入粘合形式设计，可避免二次手术的必要，且手术创面明显缩小。鉴于氧化锆陶瓷与PMMA材料的不同特性，本发明采用氧化锆陶瓷支架与PMMA透视柱镜体创新粘接方法，即达到完善的无倒凹固位支架与柱镜体的粘接，也缩短了粘接固化的时间，以便于临床的实际应用。粘接方法为，氧化锆陶瓷支架以10-(2-甲基丙烯酰氧基)磷酸单葵酯作引物底料处理，随后以化学自凝固／光凝固双重固化树脂粘合剂粘接氧化锆陶瓷支架与柱PMMA柱镜体，固化所需时间小于4分钟。本实施中达到的氧化锆陶瓷支架与PMMA柱镜体粘接固化后的剪切粘合强度为42 MPa。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于该人工角膜支架的主要材料为氧化锆陶瓷。

2.权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架在人体的应用。

3.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于所述氧化锆陶瓷的成分包含二氧化锆。

4.根据权利要求3所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于所述氧化锆陶瓷的成分另外还包含二氧化鉿、氧化钇或者两者的组合。

5.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于它通过一次或二次烧结成型。

6.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于它以手工或计算机辅助3D切割方式成型。

7.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于它为非卡环锁扣的柱镜裙边支架嵌入粘合形式。

8.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于它与透视柱镜体以氧化锆陶瓷引物底料处理氧化锆陶瓷表面，以双重固化树脂粘合剂粘接。

9.根据权利要求1所述的一种新型材料的人工角膜支架，其特征在于人工角膜支架为圆形、椭圆形或各类不规则形态，含有或者不含有各种不同类的孔或空窗，与透视柱镜一体型或各种类型的分体型。