CN111184905A - 一种生物型半月板缝合用钉及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物型半月板缝合用钉的制备方法，包括以下步骤：将无水蚕丝蛋白溶于六氟异丙醇中溶解，得六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液，然后将六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液置于模具中，加入无水甲醇，固化10天～30天，然后干燥、机械加工，得到所述生物型半月板缝合用钉。本发明所述制备方法制得的生物型半月板缝合用钉具有较高的力学强度以及和人体半月板接近的弹性模量。植入人体后具有较好的柔韧性和力学顺应性，能有效增加与半月板的力学匹配度，减少硬物刺激感。该缝合用钉可用于半月板缝合系统的组装中，作为缝合、修补半月板的损伤部位，使用后永久存在于修补部位，无需二次取出，并可在体内缓慢降解，降解周期视制备工艺和宿主个人而定。

Description

一种生物型半月板缝合用钉及其制备方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种生物型半月板缝合用钉及其制备方法。

背景技术

半月板损伤已经成为常见的运动性损伤疾病之一，多由运动损伤、外部创伤、关节退变、炎性疾患等引起。半月板损伤后的治疗一直是骨科、运动医学科关注的焦点问题之一。常规治疗方法包括半月板全切除术、次全切除术以及部分切除术，均是采用关节镜手术治疗的方式。手术切除虽然能够短期内解决患者疼痛感、运动功能的恢复，但因半月板的完整性已被破坏，术后非常容易出现半月板退变、再次撕裂等并发症。

随着医疗技术和器械产品的不断发展，半月板缝合修补术已经成为临床常用的治疗方法，一般分为由内向外缝合修补、由外向内缝合修补、完全关节内缝合修补，其中完全关节内缝合修补最为有效，但对缝合技术及所用器械要求较高。目前临床常用到的半月板缝合产品主要有半月板锚钉、半月板箭钉等内固定装置，该类产品一般需与缝合线、推送器等组装成套系统进行使用，其中缝合用到的锚钉或箭钉等固定用产品为核心部件。当前已上市的半月板缝合系统中的缝合用钉多是由聚乳酸(PLA)、左旋聚乳酸(PLLA)、聚醚醚酮(PEEK)等材料制成，且均为国外进口产品。

通过对现有的半月板缝合系统用钉对比发现，主要是分为两大类：一是可降解材料，如PLA、PLLA等乳酸类。这类材料特点突出，如可在体内降解不存在永久刺激等不良反应，但缺点也很明显，如力学强度较差，与人体半月板的力学特性如弹性模量等相差较大，产品降解产物为乳酸，可在局部形成酸性环境引起慢性炎症反应等。二是PEEK等不可降解高分子材料，这类材料具有力学强度大、体内稳定性高的优点，但也存在与人体半月板的力学特性如弹性模量等不匹配，产品不可降解、存在永久异物刺激等缺点；另外，PEEK材料硬度非常大，而半月板为软组织，两者之间的材料韧性相差较大，术后的力学顺应性较差，力学匹配度不佳，不利于术后半月板损伤部位的修复。

针对现有半月板缝合系统用钉的缺点，本发明开发了一种新型生物材料即蚕丝蛋白类材料，一是原材料为蚕丝，通过脱胶、透析、固化等工艺制成，该类材料具有来源广泛、价格低廉等原材料优势，可以降低产品成本；二是该材料具有较好的生物相容性，已有多个蚕丝蛋白类植入器械产品获批，已用于临床中；三是具有较好的力学性能，不仅其拉伸强度、弯曲强度等力学性能完全满足临床需求，同时该材料植入体内后可以变的非常柔韧，其弹性模量等数值与人体半月板十分接近，很好地解决了PEEK类产品刚性较大的不足；四是在体内可缓慢降解，亦可以根据产品需要通过加工工艺来控制材料在体内的降解速率，同时其降解产物为常见的氨基酸，对人体无害，可被人体吸收利用。

将蚕丝蛋白类材料精细加工成半月板缝合用钉，该钉可较好解决现有产品的缺点或不足，为临床提供一种力学强度好、生物相容性优、可在体内缓慢降解的缝合用钉。该发明可以为临床提供更安全有效的缝合用钉，同时可以促进新的手术方式和器械的进步，还可以提高患者术后的康复效果和生活质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种生物型半月板缝合用钉及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种生物型半月板缝合用钉的制备方法，包括以下步骤：

将无水蚕丝蛋白溶于六氟异丙醇中溶解，得六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液，然后将六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液置于模具中，加入无水甲醇，固化10天～30天，然后干燥得到蚕丝蛋白块体材料，最后经机械加工，得到所述生物型半月板缝合用钉。

针对现有半月板缝合系统用钉的缺点，本发明开发了一种生物型半月板缝合用钉，采用蚕丝蛋白类材料，一是原材料为蚕丝，通过脱胶、透析、固化等工艺制成，该类材料具有来源广泛、价格低廉等原材料优势，可以降低产品成本；二是该材料具有较好的生物相容性，已有多个蚕丝蛋白类植入器械产品获批，已用于临床中；三是具有较好的力学性能，不仅其拉伸强度、弯曲强度等力学性能完全满足临床需求，同时该材料植入体内后可以变的非常柔韧，其弹性模量等数值与人体半月板十分接近，很好地解决了PEEK类产品刚性较大的不足；四是在体内可缓慢降解，亦可以根据产品需要通过加工工艺来控制材料在体内的降解速率，同时其降解产物为常见的氨基酸，对人体无害，可被人体吸收利用。

将蚕丝蛋白类材料精细加工成半月板缝合用钉，该钉可较好解决现有产品的缺点或不足，为临床提供一种力学强度好、生物相容性优、可在体内缓慢降解的半月板缝合用钉。该发明可以为临床提供更安全有效的缝合用钉，同时可以促进新的手术方式和器械的进步，还可以提高患者术后的康复效果和生活质量。

本发明使用100％的甲醇进行固化后置换出六氟异丙醇，制得的生物型半月板缝合用钉具有较高的力学强度(拉伸强度、弯曲强度)，以及和人体半月板接近的弹性模量。植入人体后具有较好的柔韧性和力学顺应性，能有效增加与半月板的力学匹配度，减少硬物刺激感。该缝合用钉可用于半月板缝合系统的组装中，作为缝合、修补半月板的损伤部位，使用后永久存在于修补部位，无需二次取出，并可在体内缓慢降解，降解周期视制备工艺和宿主个人而定。该缝合用钉尤其是用于半月板的缝合，当然也可用于其他的缝合系统或装置中，以用来修补、缝合人体其他软组织的损伤部位。使用无水甲醇可以更快地将六氟异丙醇置换出，同时得到的材料可达到生物型半月板缝合用钉所要求的力学强度，可缩短处理时间加工效率更高。

所述机械加工可以为使用精雕机等设备进行切割、钻孔、打磨等，制成表面光滑、具有一定形状的成品。

优选地，所述干燥为在通风条件下干燥，所述干燥温度为15℃～30℃，所述干燥时间为31天～45天；或所述干燥温度为35℃～65℃，所述干燥时间为11天～15天。所述通风量优选为10m³/h～1000m³/h。在上述干燥条件下可以使甲醇挥发较为彻底，保证更好的生物安全性。

优选地，所述无水蚕丝蛋白在六氟异丙醇中的溶解时间为25h～72h。六氟异丙醇的作用是将丝素蛋白单体进行聚合成长链化合物，采用该溶解时间即可赋予其优异的力学性能。

优选地，所述六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液的浓度为9％～25％。六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液的浓度对产品的工艺成型效果有较大的影响，采用该浓度时，产品的稳定性和均一性更高，能够避免产品中的气泡和空腔缺陷。

优选地，所述无水蚕丝蛋白为将蚕丝蛋白溶液冷冻干燥所得；

所述蚕丝蛋白溶液的制备方法包括以下步骤：

a)将蚕茧剪碎，放入Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；

b)将脱胶的蚕丝用去离子水反复洗涤，烘干得到蚕丝纤维，拉松备用；

c)将蚕丝纤维放入碳酸钙溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，冷却，纱布过滤除去杂质，得到蚕丝蛋白料液；

d)将蚕丝蛋白料液装入扩散渗析器进行初级脱盐一定时间，再转入电渗析器进行深度脱盐，然后再离心分离收集上层清液，最终得到所需蚕丝蛋白溶液。

优选地，所述步骤a)中，Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液的浓度为0.01mol/L～0.20mol/L，pH值为9～11，蚕茧质量与脱胶溶液的体积比为100:(0.1～10)g/L，沸煮时间为10min～60min。

优选地，所述步骤c)中，碳酸钙溶液浓度为20％～50％，蚕丝纤维质量与碳酸钙溶液的体积比为1:(1～50)g/mL，保温温度为25℃～75℃，保温时间为0.5h～5h。采用该浓度的碳酸钙相比氯化钙而言，具有更短的脱胶时间和更好的脱胶效果。

优选地，所述步骤d)中，蚕丝蛋白料液的浓度为1％～20％。

优选地，所述步骤d)中，扩散渗析温度为20℃～50℃，料液流量为1L/h～100L/h，料液与去离子水的流量比为5：1～1：5，渗析脱盐时间为0.5h～20h。

优选地，所述步骤d)中，电渗析电流为0.1A～1A，温度为20℃～50℃，料液流量为1L/h～100L/h，料液与去离子水的流量比为5：1～1：5，脱盐停止电导率为10μS/cm～500μS/cm。

优选地，所述步骤d)中，离心条件为：转速10000rpm～25000rpm，离心时间1min～30min。

优选地，所述真空冷冻干燥工艺过程为：将所述蚕丝蛋白溶液置于真空冷冻干燥机中预冻1h～100h，预冻温度为－80℃～0℃，然后在真空压强下采用程序升温方式进行冻干1h～168h，真空压强0.001mBar～10mBar，升温速率0℃/h～10℃/h，终末温度为0℃～37℃。

本发明还提供了一种采用所述生物型半月板缝合用钉的制备方法制得的生物型半月板缝合用钉。

优选地，所述缝合用钉上设有用于固定缝合线的线槽，以及设于线槽两端的通孔。

优选地，所述生物型半月板缝合用钉上设有固定杆，所述固定杆用于置入半月板的缝隙内。

优选地，所述生物型半月板缝合用钉为中空圆柱、中空圆弧、半圆柱、椭圆柱或圆柱。但不限于上述形状，据半月板的损伤情况不同，并结合半月板缝合系统中的推送器特征，加工成不同形状，各成品的尺寸为：长度在5mm-20mm，直径0.5mm-2mm，在使用时可根据手术需要进行剪裁、修剪、雕琢等。优选中空圆柱形和中空圆弧形，结构更为简单，利于在推送器中的组装，同时也方便手术操作。中空圆柱形和中空圆弧形结构中的中空结构即为线槽，缝合线从中空结构中穿过实现固定，优选地，所述中空圆柱形或中空圆弧形结构的壁厚为0.25mm～0.5mm。优选地，所述中空圆弧形的弧度为120°～180°。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种生物型半月板缝合用钉及其制备方法。本发明所述制备方法制得的生物型半月板缝合用钉具有较高的力学强度(拉伸强度、弯曲强度)，以及和人体半月板接近的弹性模量。植入人体后具有较好的柔韧性和力学顺应性，能有效增加与半月板的力学匹配度，减少硬物刺激感。该缝合用钉可用于半月板缝合系统的组装中，作为缝合、修补半月板的损伤部位，使用后永久存在于修补部位，无需二次取出，并可在体内缓慢降解，降解周期视制备工艺和宿主个人而定。

附图说明

图1为实施例1所述生物型半月板缝合用钉的结构示意图；

图2为实施例2所述生物型半月板缝合用钉的结构示意图；

图3为实施例3所述生物型半月板缝合用钉的结构示意图；

图4为实施例4所述生物型半月板缝合用钉的结构示意图；

其中，1为线槽；2、3为通孔，4为固定杆。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述生物型半月板缝合用钉的一种实施例，本实施例所述生物型半月板缝合用钉结构示意图如图1所示，所述生物型半月板缝合用钉为半圆柱形，半圆柱形的中心轴线上设有线槽1，线槽1长度小于半圆柱的长度，线槽1深度小于半圆柱的半径，线槽1两端设有垂直径向方向的通孔(2和3)。使用时，缝合线穿过线槽两端的两个通孔(2和3)，固定于线槽1内，将缝合用钉和半月板缝合。

实施例2

本发明所述生物型半月板缝合用钉的一种实施例，本实施例所述生物型半月板缝合用钉结构示意图如图2所示，所述生物型半月板缝合用钉为半圆柱形，半圆柱形的中心轴线上设有线槽1，线槽1长度小于半圆柱的长度，线槽1深度小于半圆柱的半径，线槽1两端设有垂直径向方向的通孔(2和3)，缝合用钉上设有固定杆4，所述固定杆4用于置入半月板的缝隙内。使用时，固定杆4置于半月板存在的缝隙内，缝合线穿过线槽两端的两个通孔(2和3)，固定于线槽内，将缝合用钉和半月板缝合。

实施例3

本发明所述生物型半月板缝合用钉的一种实施例，本实施例所述生物型半月板缝合用钉结构示意图如图3所示，所述生物型半月板缝合用钉为中空圆弧形，中间的孔道即为线槽1，两个开口即为穿过并固定缝合线的通孔(2和3)，两端的弧度为120°～180°不限，可根据半月板的弧度设置，壁厚为0.25mm～0.5mm不限。使用时，缝合线穿过中间的通孔，与半月板缝合固定，结构简单。

实施例4

本发明所述生物型半月板缝合用钉的一种实施例，本实施例所述生物型半月板缝合用钉结构示意图如图4所示，所述生物型半月板缝合用钉为中空圆柱形，中间的孔道即为线槽1，两个开口即为穿过并固定缝合线的通孔(2和3)，壁厚为0.25mm～0.5mm不限。使用时，缝合线穿过中间的通孔，与半月板缝合固定，结构简单。

实施例5

本发明所述生物型半月板缝合用钉的制备方法的一种实施例，本实施例所述制备方法包括以下步骤：

(1)制备蚕丝蛋白溶液：

a)将蚕茧剪碎，放入Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；煮沸时间根据脱胶完成时间计；

本步骤中，在保护蚕丝蛋白固有结构不被破坏的前提下，通过调节脱胶过程参数可以使得脱胶更为彻底；

本实施例中，Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液的浓度为0.1mol/L，pH值为10.83，蚕茧质量与脱胶溶液的体积比为100:1g/L，沸煮时间为30min；

b)将脱胶后的蚕丝用去离子水反复洗涤，烘干得到蚕丝纤维，拉松备用；

本实施例中，将脱胶后的蚕丝用去离子水洗涤干净，重复3～5次，置于60℃烘箱烘干，拉松备用；

c)将蚕丝纤维放入碳酸钙溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，冷却，纱布过滤除去杂质，得到蚕丝蛋白料液；

本步骤中，通过扩散渗析-电渗析集成工艺脱盐，可获得高纯度的蚕丝蛋白溶液，同时使得蚕丝蛋白的分子量及其分布得到有效控制；

本实施例中，碳酸钙溶液的质量浓度为40％，蚕丝纤维质量与碳酸钙溶液的体积比为1:20g/mL，保温温度为60℃，保温时间为4h；

d)将蚕丝蛋白料液转入扩散渗析器进行初级脱盐一定时间，再转入电渗析器进行深度脱盐，然后再离心分离收集上层清液，最终得到所需蚕丝蛋白溶液；

本实施例中，蚕丝蛋白料液溶度为5％，扩散渗析温度为25℃，料液流量为20L/h，料液与去离子水的流量比为1：1，渗析时间为8h；电渗析电流为0.2A，温度为25℃，料液流量为20L/h，料液与去离子水的流量比为1:1，脱盐停止电导率为200μS/cm；离心速率为18000rpm，离心时间20min；

(2)通过真空冷冻干燥工艺将所述蚕丝蛋白溶液转变为无水蚕丝蛋白；

作为示例，将所述蚕丝蛋白溶液置于真空冷冻干燥机中-60℃预冻12h，然后，在真空压强下采用程序升温方式进行冻干72h，真空压强0.1mBar，升温速率5℃/h，终末温度为0℃；

(3)将无水蚕丝蛋白溶解于六氟异丙醇中，获得蚕丝蛋白的六氟异丙醇溶液；

本实施例中，六氟异丙醇溶解无水蚕丝蛋白时，所述无水蚕丝和六氟异丙醇的质量比为1:5，溶解温度为55℃，溶解时间12h；

(4)将蚕丝蛋白的六氟异丙醇溶液注入模具中，通过甲醇处理和风干工艺制成蚕丝蛋白固体；

本步骤中，通过甲醇处理和风干工艺可以定向调节蚕丝蛋白分子二级、三级结构的转变方式以及结晶成型方式，进而调节蚕丝蛋白的溶解速率、降解速率以及力学强度；

本实施例中，将含有蚕丝蛋白的六氟异丙醇溶液及其模具浸没于100％甲醇溶液中15d，再静置于通风橱中25℃下放置35d，得蚕丝蛋白块体；

(5)使用三轴型的精密雕刻机将蚕丝蛋白块体加工成实施例1所述半圆柱形的缝合用钉，长度为5mm，直径为2mm；包装后，使用辐照计量为15kGy-25kGy的钴60射线，备用。

将制得的半圆柱形缝合用钉进行细胞毒性试验，OD值检测结果为1.102±0.075，毒性判定为0级，符合国家标准的要求。将缝合用钉浸没于一定体积的纯水中，待1h后取出，其最大弯曲度为180°，且最大扭转度为360°，同时根据GB/T 22315-2008金属材料弹性模量和泊松比试验方法，测得弹性模量为30MPa，与人体半月板的弹性模量(以人外侧半月板体部水平面数据为参考，为15～55MPa)较接近。将缝合用钉浸入37℃5U/ml的XIV蛋白酶液中酶解，30d后重量减少约8％。测得其拉伸强度为400MPa，弯曲强度为35N·mm。以上结果表明，生物型半月板缝合用钉具有较好的细胞相容性、较突出的柔韧性和弹性模量，与人体半月板力学性能较为接近，植入体内后可缓慢降解。

将缝合用钉放置于比格犬膝关节半月板中，术后6个月解剖发现，缝合用钉周围极少的炎症细胞浸润，无明显炎症反应，有毛细血管附着在钉表面，表现出较好的生物相容性；取出并干燥后称重，其重量与植入前相比减少约25％；同时，电子扫描电镜观察，可见缝合用钉表面有明显的凹槽，表明在体内出现酶解现象。由此表明，该缝合用钉在体内有较好的生物相容性和可降解性，并且降解速率可控。

实施例6

为了探究步骤(4)中在甲醇中浸泡的时间的干燥温度和时间的不同对制得的缝合用钉的影响设置表1中的试验组和对照组，其中干燥采用在烘箱中进行，循环水平运风100m³/h。测试所得缝合用钉的弹性模量和急性毒性，观察干燥后的产品的平整度和透明度。

表1

由表1的结果可以看出，缝合用钉的干燥条件(温度和时间)对其力学性能、外观和毒性有较大的影响，合适的干燥条件才能制得与人体半月板的弹性模量接近且毒性等级合格，外观较好的缝合用钉。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将无水蚕丝蛋白溶于六氟异丙醇中溶解，得六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液，然后将六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液置于模具中，加入无水甲醇，固化10天～30天，然后干燥，最后经机械加工，得到所述生物型半月板缝合用钉。

2.如权利要求1所述生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，所述干燥为在通风条件下干燥，所述干燥温度为15℃～30℃，所述干燥时间为31天～45天；

或所述干燥温度为35℃～65℃，所述干燥时间为11天～15天。

3.如权利要求1所述生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，所述无水蚕丝蛋白在六氟异丙醇中的溶解时间为25h～72h。

4.如权利要求1所述生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，所述六氟异丙醇的蚕丝蛋白溶液的浓度为9％～25％。

5.如权利要求1所述生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，所述无水蚕丝蛋白为将蚕丝蛋白溶液冷冻干燥所得；

所述蚕丝蛋白溶液的制备方法包括以下步骤：

a)将蚕茧剪碎，放入Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液中沸煮一定时间，进行脱胶处理，形成蚕丝；

b)将脱胶的蚕丝用去离子水反复洗涤，烘干得到蚕丝纤维，拉松备用；

c)将蚕丝纤维放入碳酸钙溶液中，保温一定时间，直至溶液中肉眼看不到细绒，冷却，纱布过滤除去杂质，得到蚕丝蛋白料液；

d)将蚕丝蛋白料液装入扩散渗析器进行初级脱盐一定时间，再转入电渗析器进行深度脱盐，然后再离心分离收集上层清液，最终得到所需蚕丝蛋白溶液。

6.如权利要求5所述生物型半月板缝合用钉的制备方法，其特征在于，如下(i)～(vi)中的至少一项：

(i)所述步骤a)中，Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲液的浓度为0.01mol/L～0.20mol/L，pH值为9～11，蚕茧质量与脱胶溶液的体积比为100:(0.1～10)g/L，沸煮时间为10min～60min；

(ii)所述步骤c)中，碳酸钙溶液浓度为20％～50％，蚕丝纤维质量与碳酸钙溶液的体积比为1:(1～50)g/mL，保温温度为25℃～75℃，保温时间为0.5h～5h；

(iii)所述步骤d)中，蚕丝蛋白料液的浓度为1％～20％；

(vi)所述步骤d)中，扩散渗析温度为20℃～50℃，料液流量为1L/h～100L/h，料液与去离子水的流量比为5：1～1：5，渗析脱盐时间为0.5h～20h；

(v)所述步骤d)中，电渗析电流为0.1A～1A，温度为20℃～50℃，料液流量为1L/h～100L/h，料液与去离子水的流量比为5：1～1：5，脱盐停止电导率为10μS/cm～500μS/cm；

(vi)所述步骤d)中，离心条件为：转速10000rpm～25000rpm，离心时间1min～30min。

7.一种采用权利要求1～6中任一项所述生物型半月板缝合用钉的制备方法制得的生物型半月板缝合用钉。

8.如权利要求7所述生物型半月板缝合用钉，其特征在于，所述缝合用钉上设有用于固定缝合线的线槽，以及设于线槽两端的通孔。

9.如权利要求8所述生物型半月板缝合用钉，其特征在于，所述生物型半月板缝合用钉上设有固定杆，所述固定杆用于置入半月板的缝隙内。

10.如权利要求8所述生物型半月板缝合用钉，其特征在于，所述生物型半月板缝合用钉为中空圆柱、中空圆弧、半圆柱、椭圆柱或圆柱。

Images