CN110215319A - 具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用 - Google Patents

具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用，所述具有仿生功能的人工关节假体是由多孔层、致密层和嵌入层组成。该人工关节假体通过利用特定的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料，结合本发明多孔层、致密层和嵌入层的特殊设计，例如，多孔层中孔结构的设计并在多孔结构上面培植软骨细胞层，形成关节软骨面，从而实现运动功能；再如，通过在致密层增设大孔结构以填充自体骨组织，使得人工关节假体与周围骨组织“生长”为一体；从而制备得到了一种用于大段骨缺损重建的具有仿生功能的人工关节假体，降低了假体松动下沉的并发症，延长了人工关节的使用寿命。

Description

具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中 的应用
技术领域
本发明涉及一种具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用。
背景技术
创伤、肿瘤、慢性炎症等疾病都会造成人体骨缺损，对于较大的骨缺损在临床治疗时需要进行替代物植入，人工关节假体置换已广泛地应用于临床并取得了良好的临床效果。然而，随着时间的推移，由这一手术产生的假体松动下沉等并发症也日益突出，严重影响了手术的临床疗效和患者的生活质量。一旦患者出现这些不良后果，往往需要患者进行翻修手术治疗，这不仅增加了患者的手术痛苦和医疗费用，而且翻修后的临床疗效也远不如初次手术理想。
目前，临床上应用的人工关节假体材料主要包括医用金属材料、医用无机非金属材料和医用高分子材料。其中，医用金属材料的应用最为广泛，近年来新型钛基金属的研制以及表面涂层处理技术的改进，改善了金属人工关节假体的耐磨性和力学性能，生物安全性也得以提高。然而，当前已商业化的医用合金材料存在许多问题，如易发生无菌性松动、耐磨性不足、疲劳强度低以及生物力学相容性差等。首先，现有合金材料与骨组织之间的结合靠纤维组织实现，始终无法形成良好的骨结合界面。其次，合金材料的弹性模量(E＝100～200GPa)与人体骨骼的弹性模量(E＝10～40GPa)差距悬殊，因此假体植入后将不可避免地发生应力遮挡效应。应力遮挡将使得植入体周围骨应变减少，继发骨质疏松、骨质变薄、髓腔扩大，是发生假体-骨界面微动和术后骨折甚至关节脱位的根本原因。
另外，医用高分子材料中应用较为广泛的是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，UHMWPE良好的耐磨性能及自润滑特性使其成为关节表面和胫骨衬垫的组成成分。然而，UHMWPE晚期磨损严重，常产生大量磨屑。这些磨损颗粒会活化巨噬细胞和成纤维细胞，产生炎症因子激活破骨细胞并产生界面纤维化，直接导致假体发生早期松动。
因此，亟需通过恰当的材料和巧妙的设计制备出一种具有仿生功能的人工关节假体用于大段骨缺损重建，解决人工关节假体松动下沉的并发症，延长假体的使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用。
纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(nHA/PA66)是新型仿生的生物陶瓷类材料，具有优良的生物安全性、生物活性和与人体骨骼匹配的力学性能。nHA/PA66现已制成人工椎体、椎间融合器和骨填充材料等广泛应用于临床。大量实验证明，这种生物活性材料具有良好的骨整合能力，能够与人体骨组织整合。nHA/PA66制成的假体柄(即嵌入层)能与人体骨良好结合，实现骨组织血管化，避免假体植入部位发生微动，有利于早期临床愈合。目前，多孔nHA/PA66制备工艺成熟，孔隙率和孔隙尺寸可控，具有良好的生物力学性能。其强度和弹性模量与人体骨骼相似，能应用于承力部位骨的修复重建(即致密层)。且植入后应力遮挡效应弱，有利于植入周围骨组织的生长，减少了骨吸收和松动的发生率。
多孔nHA/PA66(即多孔层)作为软骨细胞培养的组织工程支架，具有生物相容性良好的优点，且孔径和孔隙率可控，可作为一种理想的人工合成支架材料。复合转化生长因子和骨形态发生蛋白等多种生长因子的多孔支架能提供良好的软骨生长微环境，诱导软骨细胞、骨髓间充质干细胞等软骨种子细胞增殖、分化，分泌软骨细胞外基质，最终获得关节软骨面。关节软骨面的实现可重建关节运动功能，且避免了磨损颗粒的产生，减少无菌性炎症和假体松动，获得比金属人工关节更长的使用寿命。
本发明提供了具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用，所述具有仿生功能的人工关节假体是由多孔层、致密层和嵌入层组成。
进一步的，所述多孔层、致密层和嵌入层的材料为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66。
进一步的，所述多孔层具有多孔结构。
进一步的，所述多孔结构的孔隙率为75％以上，优选为85％～90％。
进一步的，所述多孔结构的孔的内径为100～800μm，优选为200～350μm；所述多孔结构的孔的内径平均为200～300μm。
进一步的，所述多孔结构的孔是贯通的。
进一步的，所述多孔层还包括关节软骨面。
进一步的，所述关节软骨面是通过在多孔层上面培植软骨细胞层形成的。
进一步的，所述多孔层的长度为3～5mm。
进一步的，所述致密层包括有两组互相垂直的大孔结构；所述大孔的直径为6～10mm。
进一步的，所述致密层的长度为10～25cm。
进一步的，所述嵌入层包括有4个直径为4～8mm的孔。
进一步的，所述嵌入层的长度为10cm。
本发明提供了一种具有仿生功能的人工关节假体在大段骨缺损重建中的应用，该人工关节假体通过利用特定的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料，结合本发明多孔层、致密层和嵌入层的特殊设计，例如，多孔层中孔结构的设计并在多孔结构上面培植软骨细胞层，形成关节软骨面，从而实现运动功能；再如，通过在致密层增设大孔结构以填充自体骨组织，使得人工关节假体与周围骨组织“生长”为一体；从而制备得到了一种用于大段骨缺损重建的具有仿生功能的人工关节假体，降低了假体松动下沉的并发症，延长了人工关节的使用寿命。
同时，本发明利用3D打印技术制备人工关节假体，利用3D打印技术“量身定制”的个体化植入物与患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢复更快，手术过程中常无需通过反复尝试各种型号的假体，避免加重局部创伤，且可明显缩短手术时间。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为本发明人工关节假体的正面示意图。
图2为本发明人工关节假体的立体示意图。
图3为实际制作而成的人工关节的形状。
具体实施方式
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。
纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料：四川国纳科技有限公司。
实施例1本发明人工关节假体
一、本发明人工关节假体的结构
本发明具有仿生功能的人工关节假体是由多孔层、致密层和嵌入层组成。如图1-图3所示，其中，图1和图2表示了不同层之间的位置关系、比例关系以及各层的内部结构，图3表示实际制作而成的人工关节的形状，制成的人工关节的尺寸可以根据患者的具体情况进行调整。
1、多孔层
多孔层为关节面接触部分，设计为多孔结构，所用材料是纳米羟基磷灰石/聚酰胺66。该多孔结构的孔隙率为85％～90％，孔的内径为200～350μm，多孔层的厚度为3～5mm
本发明通过在多孔结构上面培植软骨细胞层，将软骨细胞接种到多孔层，置于细胞培养液中培养，即可，形成关节软骨面，从而实现运动功能。培养方法是将软骨细胞接种在多孔层表面，让其生长繁殖，并形成软骨细胞层。
2、致密层
致密层为融合部分，致密层长度为10～25cm，具体长度根据病人肿瘤累及范围而定，截骨部位为肿瘤外5cm。设计两组互相垂直的直径为6mm或者8mm的大孔结构，用于填充自体骨组织，植入体内后，可实现良好的骨组织融合并能实现自体骨组织血管化。由于自体骨组织融合后形成的骨组织与假体形成了相互交锁的结构，因此可实现比单独的关节假体更好支撑功能。特别地，本发明所用HA/PA66具有良好的骨传导性，可以与骨组织实现生物性结合，更有利于骨组织与材料的牢固结合，实现支撑功能。
3、嵌入层
嵌入层长度为10cm，嵌入层为支撑固定部分，此部分为关节柄部分设计，与通用关节一致，但增设直径为4～8mm的固定孔4个，用于外固定钢板固定。
二、本发明人工关节假体的制备
(1)数据导入
将前述一中关于人工关节假体是由多孔层、致密层和嵌入层组成，且不同层之间的位置关系、比例关系以及各层的内部结构导入3D打印设备，形成数字模型；根据患者薄层CT扫描数据、MRI影像数据，确定人工关节的尺寸；
依据植骨要求设计出人工关节假体。
(2)3D打印人工关节假体
根据导入的数字模型逐层熔融纳米羟基磷灰石/聚酰胺66粉末原料，最终利用3D打印制备出人工关节假体，打印温度为275～280℃。
以下通过药效学实验说明本发明的有益效果。
实验例1多孔层不同孔径尺寸培植软骨细胞层
取本发明方法制备的人工关节假体，接种细胞，进行培养。
实验结果表明，本发明多孔层的多孔结构中特定的孔隙率和内径尺寸有利于培植软骨细胞层。
实验例2人工关节假体在大段骨缺损重建中的应用
取本发明方法制备的人工关节假体，进行骨缺损重建。
实验结果表明，本发明多孔结构上面培植软骨细胞层有利于运动功能的实现；致密层增设的大孔结构通过填充自体骨组织，使得人工关节假体与周围骨组织“生长”为一体，可实现良好的骨组织融合、自体骨组织血管化和更好支撑功能。
综上，本发明提供了一种具有仿生功能的人工关节假体在大段骨缺损重建中的应用，该人工关节假体通过利用特定的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66材料，结合本发明多孔层、致密层和嵌入层的特殊设计，例如，多孔层中孔结构的设计并在多孔结构上面培植软骨细胞层，形成关节软骨面，从而实现运动功能；再如，通过在致密层增设大孔结构以填充自体骨组织，使得人工关节假体与周围骨组织“生长”为一体；从而制备得到了一种用于大段骨缺损重建的具有仿生功能的人工关节假体，降低了假体松动下沉的并发症，延长了人工关节的使用寿命。
同时，本发明利用3D打印技术制备人工关节假体，利用3D打印技术“量身定制”的个体化植入物与患者骨骼匹配更精准，患肢功能恢复更快，手术过程中常无需通过反复尝试各种型号的假体，避免加重局部创伤，且可明显缩短手术时间。

Claims (10)

1.具有仿生功能的人工关节假体在制备大段骨缺损重建材料中的应用，其特征在于：所述具有仿生功能的人工关节假体是由多孔层、致密层和嵌入层组成。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述多孔层、致密层和嵌入层的材料为纳米羟基磷灰石/聚酰胺66。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述多孔层具有多孔结构。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述多孔结构的孔隙率为75％以上，优选为85％～90％；优选地，所述多孔结构的孔的内径为100～800μm，优选为200～350μm；所述多孔结构的孔的内径平均为200～300μm。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：所述多孔结构的孔是贯通的。
6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述多孔层还包括关节软骨面；优选地，所述关节软骨面是通过在多孔层上面培植软骨细胞层形成的。
7.根据权利要求1所述的人工关节假体，其特征在于：所述多孔层的长度为3～5mm。
8.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述致密层包括有两组互相垂直的大孔结构；所述大孔的直径为6～10mm；优选地，所述致密层的长度为10～25cm。
9.根据权利要求1所述的人工关节假体，其特征在于：所述嵌入层包括有4个直径为4～8mm的孔。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述嵌入层的长度为10cm。
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