CN107837133A - 一种新型仿生钛人工关节假体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型仿生钛人工关节假体,至少包括髋关节的髋臼杯、股骨柄或膝关节的胫骨托;髋臼杯、股骨柄或胫骨托均由仿生钛材料制备;新型仿生钛人工关节假体具有良好的生物相容性,轻质仿生钛材料的应用,大大减轻了假体质量,提高了患者舒适度;且髋臼杯、股骨柄及仿生材料层的孔隙率可达50%~85%,高孔隙率利于细胞爬行和吸附,达到快速骨长入及血管化结果,有效提高了关节假体在人体内的长期稳定性,避免了因假体松动给患者带来的二次手术。

Description

一种新型仿生钛人工关节假体
技术领域
本发明属于新材料在医疗器械领域的应用,特别是指一种新型仿生钛人工关节,包括髋关节、膝关节、肘关节等产品。
背景技术
人工关节是外科植入器械中最成熟、最成功的产品,应用广泛。而对植入人工关节,需要满足力学相容性和生物相容性。首先在关节替换部位需要承受较大的动载荷,人工关节必须有足够的强度韧性和抗疲劳能力,能够保持关节植入长久性。钛及钛合金因为弹性模量与人体组织最接近、生物相容性好等特性被广泛研究运用于人体关节修复,但是仍然存在骨整合欠佳等问题。在应力作用下,承受应力的金属与骨将产生不同的应变,因而在金属与骨的接触界面处出现相对位移,影响植入关节的功能,或者造成应力屏蔽,引起骨组织的功能退化或吸收,最终导致植入体松动或自体骨断裂,使得植入关节不能满足长期使用要求。
为了解决植入关节与骨组织之间的稳定性问题和弹性模量匹配问题,多孔材料的设计,是未来人工关节植入材料发展的一个重要思路。多孔材料是由连续的固相骨架和孔隙组成,这一类结构具有力学和生物学上的几大优点:
一、通过对孔隙率的控制来调整关节修复材料的强度、密度和弹性模量,以便达到与被替代硬组织匹配的力学性能,并且减弱或消除应力屏蔽效应,防止植入材料表面的骨坏死使承载能力降低;
二、多孔结构增加了材料的表面积,增加了植入关节与新生骨的接触面积,有利于成骨细胞的附着、分化和生长,促进骨细胞长入植入关节的孔隙,形成物理固定,增强了植入材料与骨细胞的连接;
三、血管和组织长入贯通孔中,促使养分及时到达孔内细胞,促进组织的再生与重建。
应用于人体植入物的多孔材料,要求具有足够的孔隙率和孔径,同时需要承受较大的应力,然而孔隙的引入必然会导致力学性能的下降,显著降低强度和弹性模量,如何在具备较高孔隙结构的同时,使制备的多孔材料达到与人体自有骨相匹配的力学性能,以满足材料植入的要求,这仍是该领域开发及应用中亟待解决的问题。
另外,目前多孔结构还存在连通孔闭塞率较高,孔径大小及其分布不合理等问题。仿生钛是基于生物组织可以长入,提高机械固定作用原理开发和设计的,具有足够的孔隙率和孔径,同时可承受较大的应力,其三维贯通的孔隙结构及适宜的孔径大小对于骨组织的修复过程也有着重要的影响,这种结构可以使得骨组织长入植物体的内部孔隙,从而使骨组织和植入体获得牢固的生理性骨骼固定。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型仿生钛人工关节假体,以解决现有技术人工关节假体与人体骨组织结合的强度、刚度不足的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种新型仿生钛人工关节假体,人工关节假体由仿生钛材料制备。
所述人工关节假体至少包括髋关节的髋臼杯,或股骨柄,或膝关节的胫骨托。
所述仿生钛材料具有类松质骨结构,弹性模量介于松质骨和皮质骨之间,孔隙率为50~80%。
所述仿生钛材料的收缩率为12%-18%。
所述髋臼杯全部由仿生钛材料制备,且所述髋臼杯内壁采用SMEAR处理技术,所述髋臼杯无金属内杯结构。
所述髋臼杯无螺纹孔。
所述髋臼杯的厚度为3-6mm。
所述股骨柄通过烧结方式,实现仿生钛股骨外柄与钛合金金属柄的无界面结合。
所述股骨柄采用短柄结构,所述柄长为70-110mm;且所述股骨柄与人体骨组织接触部分全部为所述仿生钛材料。
所述仿生钛股骨外柄厚度为2-5mm。
所述胫骨托下部的圆柱部分外表面烧结有所述仿生钛材料层。
本发明的有益效果是:
本发明的仿生钛人工关节假体可在植入初期宿主骨组织即可快速长入,假体植入初期即可稳固固定,具有足够的刚度和强度,不易断裂。股骨柄由仿生钛股骨外柄和钛合金金属柄通过烧结方式一次性成型,实现无界面固定;采用短柄设计,避免了较长的柄具有较大的应力遮挡,在人体运动关节柄承受动态变化的载荷时,容易发生断裂或者长柄末端可能撞击前方骨皮质,甚至刺穿皮质骨的问题。仿生钛髋臼内壁采用Smear处理技术(多孔钛表面涂抹钛合金钛浆或悬浮液,干燥后,用机器抛光,得到光滑的表面的技术),加固内表面,得到人体所需的抗压强度,避免了传统薄涂层易剥落且生物固定性能差的问题和厚涂层与柄体结合的界面问题;髋臼采用无螺纹孔设计,无需界面钉固定即可实现与人体骨组织的牢固接合,提高了手术效率,简化临床医生操作步骤,避免了界面钉与患者组织接触导致的界面感染。
本发明的仿生钛材料具有良好的生物相容性,高孔隙率、利于细胞爬行和吸附,达到快速骨长入及血管化结果。
本发明的仿生钛材料具有与松质骨组织相似的弹性模量,解决了目前存在的由于骨组织和金属材料之间的弹性模量的不匹配,致使骨组织不能充分的填充而产生应力屏蔽,从而导致关节假体松动的问题。
本发明的仿生钛材料具有高表面粗糙度,提高了假体植入后早期的稳定性。
本发明的仿生钛材料,有效提高了关节假体或植入块在人体内的长期稳定性,达到最佳的长期固定效果。
附图说明
图1为仿生钛材料的结构示意图;
图2为人工髋臼杯结构示意图;
图3为人工股骨柄假体结构示意图;
图4为带髋臼杯假体的股骨以骨柄分解图;
图5为人工膝关节胫骨托假体结构示意图。
附图标记说明
1髋臼杯,11髋臼杯内壁,3球头,4股骨柄,41钛合金金属柄,42仿生钛股骨外柄,5圆台部,6圆柱部分,61仿生钛材料层。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案,以下的实施例仅是示例性的,仅能用来解释和说明本发明的技术方案,而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
本申请的仿生钛人工关节假体均由仿生钛材料制备,如图1所示,仿生钛材料具有类松质骨结构,弹性模量介于松质骨和皮质骨之间,孔隙率为50~80%;仿生钛材料的收缩率为12%-18%。
本申请的仿生钛人工关节假体不仅仅包括下列实施例中所列举的髋臼杯,或股骨柄,或胫骨托,还包括比如椎关节的部分结构或者其它关节部分的人工假体,均可以采用本申请的仿生钛材料制备。
实施例1
一种新型仿生钛髋关节的髋臼杯,如图2和图4所示,髋臼杯1全部由仿生钛材料制备,且髋臼杯内壁11采用SMEAR处理技术,髋臼杯无金属内杯结构,髋臼杯内壁11直接与球头3接触。髋臼杯无螺纹孔。髋臼杯的厚度为3mm。
实施例2
一种新型仿生钛髋关节的髋臼杯,髋臼杯全部由仿生钛材料制备,且髋臼杯内壁采用SMEAR处理技术,髋臼杯无金属内杯结构。髋臼杯无螺纹孔。髋臼杯的厚度为6mm。
实施例3
一种新型仿生钛髋关节的髋臼杯,髋臼杯全部由仿生钛材料制备,且髋臼杯内壁采用SMEAR处理技术,髋臼杯无金属内杯结构。髋臼杯无螺纹孔。髋臼杯的厚度为5mm。
实施例4
一种新型仿生钛股骨柄,如图3和图4所示,通过烧结方式,并通过精细调控仿生钛材料的收缩率,实现仿生钛股骨外柄42与钛合金金属柄41的无界面结合。
股骨柄4采用短柄结构,柄长为70mm;且股骨柄与人体骨组织接触部分全部为仿生钛材料。仿生钛股骨外柄厚度为2mm。
实施例5
一种新型仿生钛股骨柄,通过烧结方式,并通过精细调控仿生钛材料的收缩率,实现仿生钛股骨外柄与钛合金金属柄的无界面结合。
股骨柄采用短柄结构,柄长为110mm;且股骨柄与人体骨组织接触部分全部为仿生钛材料。仿生钛股骨外柄厚度为5mm。
实施例6
一种新型仿生钛股骨柄,通过烧结方式,并通过精细调控仿生钛材料的收缩率,实现仿生钛股骨外柄与钛合金金属柄的无界面结合。
股骨柄采用短柄结构,柄长为100mm;且股骨柄与人体骨组织接触部分全部为仿生钛材料。仿生钛股骨外柄厚度为4mm。
实施例7
一种新型仿生钛膝关节的胫骨托,如图5所示,胫骨托包括圆台部5及位于圆台部下部的圆柱部分6,胫骨托下部的圆柱部分外表面烧结有仿生钛材料层61。
仿生钛人工髋关节可在植入初期宿主骨组织即可快速长入,假体植入初期即可稳固固定,具有足够的刚度和强度,不易断裂。股骨柄由仿生钛股骨外柄和钛合金金属柄通过烧结方式一次性成型,实现无界面固定;采用短柄设计,避免了较长的柄具有较大的应力遮挡,在人体运动关节柄承受动态变化的载荷时,容易发生断裂或者长柄末端可能撞击前方骨皮质,甚至刺穿皮质骨的问题。仿生钛髋臼内壁采用Smear处理技术,加固内表面,得到人体所需的抗压强度,避免了传统薄涂层易剥落且生物固定性能差的问题和厚涂层与柄体结合的界面问题;髋臼采用无螺纹孔设计,无需界面钉固定即可实现与人体骨组织的牢固接合,提高了手术效率,简化临床医生操作步骤,避免了界面钉与患者组织接触导致的界面感染。
尽管已经对本发明的技术方案进行了详细的描述,但是本领域的技术人员均清楚,通过对本技术方案进行的修改、替换及修饰等,均应当在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,人工关节假体由仿生钛材料制备。
2.根据权利要求1所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述人工关节假体至少包括髋关节的髋臼杯,或股骨柄,或膝关节的胫骨托。
3.根据权利要求1所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述仿生钛材料具有类松质骨结构,弹性模量介于松质骨和皮质骨之间,孔隙率为50~80%。
4.根据权利要求1所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述仿生钛材料的收缩率为12%-18%。
5.根据权利要求2所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述髋臼杯全部由仿生钛材料制备,且所述髋臼杯内壁采用SMEAR处理技术,所述髋臼杯无金属内杯结构。
6.根据权利要求5所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述髋臼杯无螺纹孔。
7.根据权利要求5所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述髋臼杯的厚度为3-6mm。
8.根据权利要求2所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述股骨柄通过烧结方式,实现仿生钛股骨外柄与钛合金金属柄的无界面结合。
9.根据权利要求8所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述股骨柄采用短柄结构,所述柄长为70-110mm;且所述股骨柄与人体骨组织接触部分全部为所述仿生钛材料。
10.根据权利要求8所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述仿生钛股骨外柄厚度为2-5mm。
11.根据权利要求1所述的新型仿生钛人工关节假体,其特征在于,所述胫骨托下部的圆柱部分外表面烧结有所述仿生钛材料层。
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