CN110063820B - 具有界面骨长入活性的3d打印椎间融合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生物医学技术领域的一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器，包括外层套和三维中空柱，所述外层套的顶部开设有外层套孔，所述外层套孔的内壁插接所述三维中空柱，该种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器及其制备方法，椎间融合器以聚醚醚酮(PEEK)为原料制造外层套，以具有成骨活性粉体的混合物为原料，通过3D打印技术制造三维中空柱，三维中空柱具有中空三维连通结构及界面骨长入活性，表面具有细胞识别位点、适合细胞黏附和新骨沉积的微环境，而多孔结构的空间位置，有利于新骨逐渐长入，从而提高了椎间融合器的界面骨长入活性，使得椎间融合器与椎体骨组织之间能实现紧密结合，不会发生松动或移位。

Description

具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医学技术领域，具体为具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器及其制备方法。

背景技术

随着我国人口老龄化的逐渐加深，脊柱退行性疾病已成为常见病和多发病，脊柱退行性病变导致的椎间盘突出、椎体节段失稳、骨赘形成等，导致脊髓或神经根压迫症状，严重影响患者的工作和生活，对于药物、物理等保守治疗无效的患者，往往需要进行手术治疗，椎间盘切除椎间融合内固定术是治疗脊柱退行性疾病的有效手段。

椎间融合器具有支撑、均分载荷等功能，能较好的恢复椎间隙高度和脊柱的生理曲度，术中将病变椎间盘摘除后，对上下两个椎体之间植入椎间融合器，上下两个椎体之间达到骨性结合之后，即可恢复脊柱的序列及稳定性，自椎间融合器成功用于椎间融合以来，各种类型的椎间融合器相继问世，并在临床上广泛应用，椎间融合器包括生物类、金属类、高分子聚合物材料等。自体骨自制椎间融合器植骨融合为融合效果最佳的手术方式，植骨块常取自自体髂骨，可促进椎间快速融合，但增加供骨区疼痛、失血、感染等并发症发生率，同时术中自体骨块不易塑形，且单纯骨块植入椎间隙后稳定性较差，若移位进入椎管可能压迫脊髓神经，限制其临床应用；金属类椎间融合器目前临床应用较多的是钛合金材质，钛合金椎间融合器具有良好的生物相容性和支撑强度，但钛合金材料弹性模量过高，有压迫椎体导致移位的可能，钛合金材质不能透过X射线，无法从X线片上观察植入后期椎间隙内骨融合的情况，金属内植入行核磁共振(MRI)检查时伪影明显，影响术后脊髓神经功能评估；高分子聚合物材料类椎间融合器最常用的类型为PEEK材质，PEEK具有优异的生物相容性、化学稳定性及耐磨性等优点，并且医用PEEK被指定为“最佳长期骨移植PEEK”，纯PEEK与人体骨质的杨氏模量接近，可以有效避免植入人体后与临近椎体骨质产生的应力遮挡及松动现象；PEEK具有良好的材料示踪能力，可透过X光，便于术后X线观察融合情况；PEEK的MRI伪影小，便于术后评估脊髓神经功能。

此外，现有椎间融合器产品本身难以与新骨形成骨性结合，易造成植入后期松动、移位的问题；传统成型工艺无法在成型过程中对材料进行改性从而实现其生物学性能的提升，目前临床应用中，术中通常在椎间融合器中空部分填充自体骨(术中减压获得的碎骨)、异体骨、人工骨等可促进上下椎体实现良好的骨性融合，以提高椎间融合器的骨长入能力，操作繁琐，且植骨材料增加手术费用。

发明内容

本发明的目的在于提供具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的椎间融合器包括生物类、金属类、高分子聚合物材料等不同材质椎间融合器临床应用的不足。自体骨自制椎间融合器植骨融合为融合效果最佳的手术方式，植骨块常取自自体髂骨，自体骨移植可促进椎间快速融合，但增加供骨区疼痛、失血、感染等并发症发生率，同时术中自体骨块不易塑形，且单纯骨块植入椎间隙后稳定性较差，若移位进入椎管可能压迫脊髓神经，限制其临床应用；金属类椎间融合器，如钛合金椎间融合器具有良好的生物相容性和支撑强度，但钛合金材料弹性模量过高，有压迫椎体导致移位的可能，钛合金材质不能透过X射线，无法从X线片上观察植入后期椎间隙内骨融合的情况，金属内植入行MRI检查时伪影明显，影响术后脊髓神经功能评估。此外，现有椎间融合器产品本身无法与新骨形成骨性结合，易造成植入后期松动、移位的问题；传统成型工艺无法在成型过程中对材料进行改性从而实现其生物学性能的提升，目前临床应用中，术中通常在椎间融合器中空部分填充自体骨(术中减压获得的碎骨)、异体骨、人工骨等可促进上下椎体实现良好的骨性融合，以提高椎间融合器的骨长入能力，操作繁琐，且植骨材料增加手术费用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器，包括外层套和三维中空柱，所述外层套的顶部开设有外层套孔，所述外层套孔的内壁插接所述三维中空柱，所述三维中空柱的顶部和底部一体成型连接有三维内层板，所述外层套的材质为PEEK材料。

优选的，所述三维中空柱和所述三维内层板的材质是以羟基磷灰石为主，磷酸三钙、生物活性玻璃等为辅的成骨活性粉体的混合物。

优选的，所述外层套的前壁开设有螺纹孔，所述外层套的两侧壁开设有钳夹固定孔，所述外层套的内部插接有钽金属线，所述外层套的顶部、底部的外壁一体成型连接有棱形棘，所述外层套的顶部形状为前高后底的生理弧度。

一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器的制备方法，该具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器的制备方法包括如下步骤：

S1：选取材料，3D打印椎间融合器以PEEK作为外层打印原料，确保PEEK无质量缺陷；并以钽金属粉末作为打印附加原料，打印钽金属线；

S2：选取成骨活性粉体的混合物，利用具有成骨活性粉体的混合物为内层打印原料；

S3：采用3000Mpa等静压机，把PEEK原料投入模具后进行压制处理，压制时间为40min，压力为2GPa，为压制密度均匀的原材料提供良好的保证，减少PEEK中的间隙；

S4：选用3D打印机，通过3D打印技术制得所述外层套，纯PEEK材料的所述外层套为椎间融合器最外层，主要保证椎间融合器的力学支撑性能；

S5：抛光及精铣：对所述外层套进行固定，利用打磨柱，采用柱状抛光方式，对所述外层套孔的内部进行抛光，抛光时间为10min，以外层套孔内部无明显颗粒为主，需进行所述外层套孔的尺寸测量和控制；

S6：再次使用3D打印机，通过3D打印技术制得所述三维中空柱和所述三维内层板，需要保证中空三维连通结构的内部为成骨活性材料，及50％以上的孔隙率，保证椎间融合器的界面骨长入活性；

S7：二次打磨：采用打磨装置对所述外层套和所述三维中空柱进行二次打磨，打磨时间为15min；

S8：所述外层套和所述三维中空柱需要按照前期设计既定的模型将外层打印原料和内层打印原料有次序地打印到指定位置，所述三维内层板的直径取决于所述三维中空柱的直径，最终获得3D打印椎间融合器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有良好力学支撑的PEEK外层结构和具有三维连通孔隙及界面骨长入活性的内层结构，具有良好的界面骨长入活性，植入椎体之间后，能够诱导上下临近椎体的骨组织长入椎间融合器内层的具有中空三维连通结构的成骨活性材料中，界面骨长入活性的3D打印椎间融合器术中不需要在椎间融合器中填充自体或同种异体骨颗粒或人工骨颗粒等，节约手术时间，简化手术步骤；内层结构的制造原料为具有成骨活性粉体的混合物，因此该椎间融合器表面具有细胞识别位点、适合细胞黏附和新骨沉积的微环境，能够提高椎间融合器和新骨的结合能力，提升其生物学性能；随着新骨逐渐长入，椎间融合器与临近椎体的骨组织紧密结合，不会发生松动或移位，PEEK材料具有优良的生物相容性、化学稳定性及耐磨性等优点，结合3D打印工艺能够实现个性化产品的生产；相对于传统的机加工成型和热塑加工成型的方式，采用3D打印的成型工艺制备以PEEK材料为基础的椎间融合器，不仅简化了工艺流程，实现原材料的充分利用，且实现了材料、结构和制造工艺的改进。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明剖面示意图；

图3为本发明正面示意图。

图中：100外层套、110外层套孔、200三维中空柱、210三维内层板、300螺纹孔、310钳夹固定孔、400钽金属线、500棱形棘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器及其制备方法的制备方法，可具有良好力学支撑的PEEK外层结构和具有三维连通孔隙及界面骨长入活性的内层结构，请参阅图1-3，包括外层套100、三维中空柱200、螺纹孔300、钳夹固定孔310、钽金属线400和棱形棘500；

请再次参阅图1，外层套100的圆周内壁具有外层套孔110，具体的，外层套100的顶部开设有外层套孔110，外层套孔110便于产生空腔，外层套100的材质为PEEK材料，外层套100顶部的形状为前高后底的生理弧度；

请再次参阅图1，三维中空柱200的外壁与外层套100的内壁接触，具体的，外层套孔110的内壁插接三维中空柱200，三维中空柱200的顶部和底部一体成型连接有三维内层板210，三维中空柱200和三维内层板210的材质为成骨活性粉体的混合物，所述三维中空柱200和所述三维内层板210的材质是以羟基磷灰石为主，磷酸三钙、生物活性玻璃等为辅的成骨活性粉体的混合物，外层套100的前壁开设有螺纹孔300，所述外层套100的两侧壁开设有钳夹固定孔310，外层套100的内部插接有钽金属线400，外层套100的圆周外壁一体成型连接有棱形棘500，螺纹孔300及钳夹固定孔310便于配合固定钳夹取，棱形棘500便于增加表面摩擦力。

本发明还提供一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器的制备方法：

请参阅图1-3，该具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器的制备方法包括如下步骤：

S1：选取材料，3D打印椎间融合器以PEEK作为外层打印原料，确保PEEK无质量缺陷；并以钽金属粉末作为打印附加原料，打印钽金属线；

S2：选取成骨活性粉体的混合物，利用具有成骨活性粉体的混合物为内层打印原料；

S3：采用3000Mpa等静压机，把PEEK原料投入模具后进行压制处理，压制时间为40min，压力为2GPa，为压制密度均匀的原材料提供良好的保证，减少PEEK中的间隙；

S4：选用3D打印机，通过3D打印技术制得外层套100，纯PEEK材料的外层套100为椎间融合器最外层，主要保证椎间融合器的力学支撑性能；

S5：抛光及精铣：对外层套100进行固定，利用打磨柱，采用柱状抛光方式，对外层套孔110的内部进行抛光，抛光时间为10min，以外层套孔110内部无明显颗粒为主，需进行外层套孔110的尺寸测量和控制；

S6：再次使用3D打印机，通过3D打印技术制得三维中空柱200和三维内层板210，需要保证中空三维连通结构的内部为成骨活性材料混合物，及50％以上的孔隙率，保证椎间融合器的界面骨长入活性；

S7：二次打磨：采用打磨装置对外层套100和三维中空柱200进行二次打磨，打磨时间为15min；

S8：外层套100和三维中空柱200需要按照前期设计既定的模型将外层打印原料和内层打印原料有次序地打印到指定位置，三维内层板210的直径取决于三维中空柱200的直径，最终获得3D打印椎间融合器。

实施例

现通过本发明所制成的一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器与某市面常用椎间融合器进行试验对比，试验过程如下；

1、配合破坏装置如粉碎机，对实施例进行破碎。

2、配合断裂模数装置如断裂模数测定仪，对实施例上下两端同时用力向该构件挤压，测定在高压强度下多少MPA会压断,即可得出能承受多少MPA。

3、术后X线观察脊柱融合情况；进行术后MRI检查评估脊髓神经功能。

4、对手术时间进行计算。

试验数据如下：

	破坏强度/N	断裂模数/MPA	融合能力/％	手术时间/H
					实施例1	1230	58	98.9	2
复检	1220	56	99.6	1.9
					对比例1	760	31	74.4	4

经实验对比，本发明所制成的一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器具有具有良好力学支撑的PEEK外层结构和具有三维连通孔隙及界面骨长入活性的内层结构，强度大、融合性好、手术时间短。

综合以上所述，具有良好力学支撑的PEEK外层结构和具有三维连通孔隙及界面骨长入活性的内层结构，具有良好的界面骨长入活性，植入椎体之间后，能够诱导上下临近椎体的骨组织长入椎间融合器内层的具有中空三维连通结构的成骨活性材料中，界面骨长入活性的3D打印椎间融合器术中不需要在椎间融合器中填充自体或同种异体骨颗粒或人工骨颗粒等，节约手术时间，简化手术步骤；中空柱制造原料为具有成骨活性粉体的混合物，因此该椎间融合器表面具有细胞识别位点、适合细胞黏附和新骨沉积的微环境，能够提高椎间融合器和新骨的结合能力，提升其生物学性能；随着新骨逐渐长入，椎间融合器与临近椎体的骨组织紧密结合，不会发生松动或移位，PEEK材料具有优良的生物相容性、化学稳定性及耐磨性等优点，结合3D打印工艺能够实现个性化产品的生产；相对于传统的机加工成型和热塑加工成型的方式，采用3D打印的成型工艺制备以PEEK材料为基础的椎间融合器，不仅简化了工艺流程，实现原材料的充分利用，且实现了材料、结构和制造工艺的改进。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器，其特征在于：包括外层套(100)和三维中空柱(200)，所述外层套(100)的顶部开设有外层套孔(110)，所述外层套孔(110)的内壁插接所述三维中空柱(200)，所述三维中空柱(200)的顶部和底部一体成型连接有三维内层板(210)，所述外层套(100)的材质为PEEK材料，所述三维中空柱(200)和所述三维内层板(210)的材质是以羟基磷灰石为主，磷酸三钙、生物活性玻璃为辅的成骨活性粉体的混合物，所述外层套(100)的前壁开设有螺纹孔(300)，所述外层套(100)的两侧壁开设有钳夹固定孔(310)，所述外层套(100)的内部插接有钽金属线(400)，所述外层套(100)的顶部、底部的外壁一体成型连接有棱形棘(500)，所述外层套(100)的顶部形状为前高后底的生理弧度；

该具有界面骨长入活性的3D打印椎间融合器的制备方法包括如下步骤：

S1：选取材料，3D打印椎间融合器以PEEK作为外层打印原料，确保PEEK无质量缺陷；并以钽金属粉末作为打印附加原料，打印钽金属线；

S2：选取成骨活性粉体的混合物，利用具有成骨活性粉体的混合物为内层打印原料；

S3：采用3000Mpa等静压机，把PEEK原料投入模具后进行压制处理，压制时间为40min，压力为2GPa，为压制密度均匀的原材料提供良好的保证，减少PEEK中的间隙；

S4：选用3D打印机，通过3D打印技术制得所述外层套(100)，纯PEEK材料的所述外层套(100)为椎间融合器最外层，主要保证椎间融合器的力学支撑性能；

S5：抛光及精铣：对所述外层套(100)进行固定，利用打磨柱，采用柱状抛光方式，对所述外层套孔(110)的内部进行抛光，抛光时间为10min，以外层套孔(110)内部无明显颗粒为主，需进行所述外层套孔(110)的尺寸测量和控制；

S6：再次使用3D打印机，通过3D打印技术制得所述三维中空柱(200)和所述三维内层板(210)，需要保证中空三维连通结构的内部为成骨活性材料，及50％以上的孔隙率，保证椎间融合器的界面骨长入活性；

S7：二次打磨：采用打磨装置对所述外层套(100)和所述三维中空柱(200)进行二次打磨，打磨时间为15min；

S8：所述外层套(100)和所述三维中空柱(200)需要按照前期设计既定的模型将外层打印原料和内层打印原料有次序地打印到指定位置，所述三维内层板(210)的直径取决于所述三维中空柱(200)的直径，最终获得3D打印椎间融合器。