CN111417358B

CN111417358B - 由具有电加热特性的氧化锆或氧化铝制成的牙种植体及其制造方法

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Publication number: CN111417358B
Application number: CN201880076629.0A
Authority: CN
Inventors: 菲利佩·萨穆埃尔·科雷亚·佩雷拉·席尔瓦; 保罗·菲利佩·萨尔加多·平托; 奥斯卡·萨穆埃尔·诺瓦伊斯·卡瓦略
Original assignee: Universidade do Minho
Current assignee: Universidade do Minho
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2038-10-26
Also published as: JP2021500189A; BR112020008321B1; US20200306013A1; CN111417358A; WO2019082154A1; EP3701906A1; BR112020008321A2

Abstract

本公开涉及一种牙种植体，该牙种植体包括在植入物的下部侧表面中以孔终止的垂直通道和径向通道，每个通道均由导电材料填充，以便激发沿植入物的表面的多个电场。电场在5mv至100mv的范围内进行改变。描述了一种限定沿其长度的轴线的牙种植体，其从烧结块产生，该牙种植体包括在植入物的表面中以孔终止的纵向通道和径向通道，每个通道包括导电材料，以便激发沿植入物的表面的多个电场。

Description

由具有电加热特性的氧化锆或氧化铝制成的牙种植体及其制造方法

技术领域

本公开在牙科领域，更具体地在牙种植体领域。本公开涉及一种具有用于骨骼再生的电容量和抗菌效果的陶瓷牙种植体。

背景技术

针对具有电刺激的牙种植体有若干建议，其目的是帮助邻近植入物的骨骼组织的再生。大多数建议，包括专利US8,374,697、CN103006343和WO2006043748的以下示例，提出了一种植入物，其中，分别在植入物的顶部和底部上安装有电极，两者均安装在植入物的主体上。作用在植入物的下部部分的电极穿过植入物的内部。这些文献中描述的植入物允许在这两个极之间产生电场(和磁场)。

专利文件US2003/0153965中阐述的另一种方法提出了使用聚合物基体和/或陶瓷的复合材料来用于与导电增强件(例如碳纳米管)一起沿着植入物的两个极传输电流。继而，专利文献US5738521提出了将两个电极中的一个放置在植入物中，而将另一个电极放置在植入物外部的骨骼的区域中，以便在这两个点之间产生电场。

在提出的所有解决方案中，总是有两个极安装在植入物的不同点上(通常在植入物的端点处)，或甚至将其中一个极放置在植入物的外部，而在该两个极之间产生电场。该电场将在两个极之间产生电流，从而刺激流过下颌骨骼和/或上颌骨骼组织的电流区域中的骨骼生长。电流将随机流过骨骼组织较低电阻的区域。

在该文献中提出了一种新的植入物概念，其包括一种装置，在该装置中产生多个电场，并在战略性定义的植入物表面的多个点处分配电场，电线电路是部件的组成部分，也有助于提高其机械强度。在该文献中还提出了获得植入物的方式。

描述这些事实以便说明本公开解决的技术问题。

发明内容

本公开涉及基于氧化锆或氧化铝或它们的混合物的陶瓷牙种植体，其内部包括允许电场到达植入物表面的多个点的电路，从而允许该电路形成植入物的主体的组成部分。

如上所述，植入物由具有美学功能的生物相容性的陶瓷或陶瓷复合物组成，其可包括生物活性和/或抗菌化合物。该植入物的特征在于在其内部包括旨在通过到达植入物的表面的多个点的正极化电线和负极化电线向植入物表面的多个点提供电场的电路。为此目的，植入物在其内部包括沿着植入物的主方向的竖直分布通道，以及在各种植入物高度处的径向分布通道，这将允许多个电场存在于植入物表面上。随着电流由植入物传输到骨骼，将允许骨骼以更快的方式再生，并将具有抗菌效果，有助于消除细菌的生物膜。该电路由小电池供电，该小电池容纳在植入物的顶部处或基台或牙冠内部，并带有协调电刺激(即电场强度)、施加频率和施加持续时间的芯片，和/或由压电部件供电，该压电部件由咀嚼力致动。压电部件应由生物相容性材料组成，例如钛酸钡BaTiO3或“铌酸钙钛矿”化合物，((K,Na)NbO3)，称为KNN，并当经受由于诸如咀嚼的载荷而变形时，产生电场。

陶瓷应基于氧化锆或氧化铝，或它们的混合物，可能包含羟基磷灰石、βTCP、生物玻璃，以及使陶瓷或氧化锆稳定的其它材料，和/或具有生物活性和/或抗菌性的材料。

电路的材料由银或金或铂或其它生物相容性金属或其它生物相容性和导电材料组成。

电路的特征在于是植入物的组成部分，而不是电线或电极的组件。电路负责将电场发射到植入物的各个点，但也有助于提高其机械强度。

获得植入物的过程基于以下方法。由氧化锆和/或氧化铝粉末压紧和预烧结块，其中可能包含氧化锆稳定元素，诸如氧化钇、二氧化铈、氧化镁等，并且还可能包含生物活性元素，诸如羟基磷灰石、βTCP、生物玻璃或其它生物活性材料。另选地，可使用已经压紧和预烧结的商业块；然后用切割工具通过机械途径或通过激光烧蚀对预烧结的块进行机械加工，以产生内部通道，电场分布到植入物表面(侧面和下方)；然后对组件进行最后烧结；然后在压力下使用铸造工艺，用导电且生物相容的材料(诸如银、金、铂)或聚合物(诸如聚醚醚酮(PEEK)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或其它生物相容聚合物填充氧化锆块的通道，该聚合物带有微米或纳米金属颗粒或使聚合物导电的其它增强材料；然后在植入物的顶部上、基台上或牙冠内部上组装控制单元、电池和/或压电部件。

本建议提出了若干创新和优点，即：

该文献中提出的植入物的第一个主要优点是，由于存在多个负电极和正电极，因此在植入物的表面上存在多个电场。以此方式，在植入物的表面上分散产生多个电场而不是单个电场，从而使对骨骼再生和抗菌效果的刺激更加有效。该建议不是在植入物周围产生单个电场，这将导致随机电流流过组织，从而在电流流过的地方有效，而在电流未流过的地方效果较差，该建议提出了一种用于产生沿着植入物的整个表面的电流的解决方案，通过电刺激使骨骼再生和抗菌效果的过程更加有效，确保了其对植入物整个表面的效果。

提出的植入物的第二个主要优点是，植入物内的布线电路是植入物主体的组成部分，因此有助于增强其机械强度。在该建议中，与将电极安装在植入物上从而构成植入物的附加部件的现有解决方案相反，在该方案中，电路被集成到植入物中，从而形成复合材料。

提出的植入物的第三个主要优点是，它可以通过电池或咀嚼力来操作。在初始阶段(其中可能有意地不存在咀嚼载荷)，电刺激将由控制单元(其将控制电场的频率、定时和功率)和电池(其将提供电功率)来激发。在已经存在咀嚼力的第二阶段中，该控制单元和电池由压电装置代替，该压电装置将在由咀嚼力致动时产生电场。该优点使得与现有专利相反，该解决方案在二次稳定化期间(即在植入物放置后的头几个月中)(使用电池)以及在整个植入物的整个生命周期中(使用压电元件)进行操作。该解决方案允许模拟骨骼中所含胶原蛋白的压电效应，从而使该植入物解决方案更接近骨骼本身的自然功能。

描述了一种牙种植体，其从烧结块获得并限定沿其长度的轴线，该牙种植体在其内部包括以孔的形式终止于植入物的表面的纵向通道和径向通道，并且其中每个通道均包括导电材料，以产生沿植入物的表面的多个电场。贯穿植入物是指沿着植入物的所述纵向轴线。

在一个实施例中，径向通道以孔的形式终止于植入物的侧表面，并且纵向通道以孔的形式终止于植入物的顶表面。

在一个实施例中，径向通道以孔的形式终止于侧表面，相应的导电材料以使得沿着植入物的表面交替电极的方式连接。

在一个实施例中，纵向通道和径向通道以孔的形式终止于植入物的下侧表面。

实施例包括位于基台或牙冠上的电子部件，该电子部件包括具有集成电路、芯片的电池或压电部件。

在一个实施例中，电子部件被配置成使得所述电场在5mv至100mv的范围内。

在一个实施例中，导电材料是金属或聚合物，其带有使聚合物导电的颗粒或纤维。

在一个实施例中，金属选自银或金或铂或其它导电且生物相容的金属或金属合金。

在一个实施例中，该聚合物选自PEEK或PMMA或其它生物相容聚合物。

在一个实施例中，聚合物还包括银颗粒或碳纳米管，或使聚合物导电的其它生物相容性材料。

在一个实施例中，烧结的植入物块是陶瓷材料或陶瓷复合物。

在一个实施例中，烧结的植入物块是氧化锆或氧化铝或它们的混合物。

在一个实施例中，所述植入物包括1％至20％的氧化钇和/或二氧化铈和/或氧化镁。

实施例包括羟基磷灰石和/或βTCP和/或生物玻璃。

还描述了用于获得所描述的实施例中的任何一个的牙种植体的方法，该方法包括以下步骤：

混合植入物的组成陶瓷材料，并在10MPa到200MPa之间的压力下将其压紧，直到获得压紧的块；

预烧结获得的块；

通过铣削或通过激光烧蚀对块进行机械加工，以便获得具有纵向通道和径向通道以及相应孔的植入物；

将块在1200℃和1600℃之间的温度下烧结1至5个小时。

在一个实施例中，失蜡铸造方法包括以下步骤：

将植入物以树的形式放置在由蜡组成的进给系统中；

向植入物孔添加蜡；

将含有植入物的进给系统浸入石膏中，直到获得石膏模具；

将模具加热至400℃的温度以提取蜡；

将模具放置在800℃下的炉子中2小时；

移除模具并将金属倒入石膏模具中，并穿过植入物的孔。

在一个实施例中，通过导电聚合物填充内部通道包括以下步骤：

将具有孔的植入物放置在石墨材料或类似材料的模具内，其中模具由主体、下部部分和上部部分与植入物一起构成；

将聚合物放置在模具内，然后加热，直到聚合物复合物达到液态、糊状或半固态，并灌注(impregnate)孔。

在一个实施例中，通过在真空下施压紧力来进行孔的灌注，这导致聚合物复合物流入植入物的孔中以填充它们。

附图说明

为了更容易理解，附上附图，其表示不旨在限制本说明书的目的的优选实施例。

图1是在机械加工内部通道之前(a)的由主体(1)构成的陶瓷植入物的示例性示意图(其将产生内部电路)，以及在机械加工内部通道之后(b)的由主体(1)构成的陶瓷植入物的示例性示意图(其将产生内部电路)，并且局部用于将电池和电子部件或压电元件容纳在植入物的顶部上。还示出了电线系统的顶部视图(c)的切口，其示出具有极性(例如负极(2))和具有另一极性(例如正极(3))的电路。

图2是包含植入物(1)的石膏模具(4)的示例性示意图，金属将以液态(6)倒在其上，其将流过进给通道(5)，并且将填充植入物(1)的图1)中的电路(2)和(3)。

图3是由主体(8)以及例如下部部分(10)和上部部分(9)构成的例如石墨材料的模具的示例性示意图，其中放置有植入物(1)，其中已制成构成电路以及电子部件和电池或压电部件的位置的通道，并且其中还放置导电的聚合物材料的粉末或小颗粒(7)。施压紧力(11)和温度(12)(优选在真空中)以填充将由聚合物复合物构成电路的通道。

图4是在机械加工和填充(14)构成内部电路的内部通道之后，由主体构成的陶瓷植入物的示例性示意图，以及所产生的电场(15)和电池以及电子部件或压电元件(13)的示例，并且其上安装有牙冠(16)。

具体实施方式

本公开包括一种牙种植体，其由陶瓷或陶瓷复合物(1)(图1)制成，其具有生物相容性，具有美学功能，并且可能具有生物活性，其内部包含电路(2)(3)，旨在为植入物表面(15)的多个点提供电场。该电路由容纳在植入物顶部上的可能的基台中或牙冠中的小电池以及协调电刺激的芯片(13)供电，和/或另选地由压电部件(13)供电，该压电部件由咀嚼力致动。

在优选的模式中，植入物材料由基于氧化锆(可能包含氧化铝百分比)的陶瓷，或基于可能包含氧化锆的氧化铝的陶瓷组成。除了这些之外，它还可以包含少量百分比，例如1％(v/v)至20％(v/v)的氧化钇、二氧化铈、氧化镁，以及其它氧化锆稳定材料，或甚至羟基磷灰石、βTCP、生物玻璃，以及其它生物活性和/或抗菌材料。

在将这些材料混合后，以10MPa至200MPa，优选50MPa至100MPa的压力进行按压。然后可以将这些块在800℃和1200℃之间的温度下预烧结0.5至5小时。另选地，可使用市售的预烧结块。

然后，在数控装置中，用切割工具通过机械路线对按压和/或预烧结的块进行机械加工，以创建电子和压电部件的容纳区域以及内部通道(2)(3)，其将包含于电路中。这些通道将沿着植入物的主要方向具有竖直分布，并在各种植入物高度处具有径向分布。另选地，可使用激光烧蚀方法来加工将在内部通道中构成的孔。正电极和负电极沿植入物表面成对(+-)，以产生多个微电场(15)。

经机械加工的块之后将进行部件的最终烧结，最终烧结将在1200℃和1600℃之间的温度下在加热和冷却周期之间进行1至5个小时，该加热和冷却周期可以持续2至4小时，每个周期的加热斜率(heating ramp)为约5℃/分钟。

在最终烧结之后，将使植入物的内部通道充满导电材料。假使导电材料是金属的，例如银、金或铂，以及其它具有生物相容性的材料，则将使用失蜡铸造方法将这些材料灌注在陶瓷植入物中。简而言之，将植入物安装在由蜡组成的例如树形的进给系统(5)上，孔中填充有蜡。然后将包含植入物的蜡树浸入容器内的石膏中，形成石膏模具(4)。此后，使模具经受高达约400℃的温度约30分钟，以提取蜡。然后使石膏模具经受石膏的烘烤循环，在该烘烤循环中石膏模具达到约800℃持续约2小时的时间。最后，将石膏模具从炉子中移除，并将液态金属(6)(其将存在于电路中)倒入模具(5)的内部(其包含植入物)，从而填充模具腔体和植入物的内部孔(2)和(3)。

在导电材料为聚合物基体的情况下，例如聚醚醚酮(PEEK)或聚(甲基丙烯酸甲酯(PMMA))或其它生物相容聚合物，其带有使其能够导电的材料，例如银颗粒、碳纳米管等，该聚合物基体复合物(7)被放置在例如石墨材料的模具内，该模具例如由主体(8)、下部部分(10)和上部部分(9)与已经包含孔(2)和(3)的植入物(1)一起构成，并且将它们加热(12)，直到聚合物复合物达到液态、糊状或半固态并灌注了孔为止。这种灌注是由于在真空下施加的压力(11)引起的，该压力使聚合物复合物流入植入物孔中，从而完全填充植入物孔。

现在，植入物将具有接近最终植入物的几何形状，其中电通道被完全填充(14)。可能需要对它们进行机械加工以最终确定几何形状或螺纹。还可对它们进行抛光或通过微粒喷砂、酸蚀刻、激光等进行表面处理，以产生适于与骨骼组织良好粘结的表面纹理。

在植入物的顶部处或在基台处(如果具有植入物的情况下)，则可以将其安装在信号处理站和电池(13)或另选地压电部件(13)上，这将产生沿植入物(15)的表面分布的电场。植入物的表面上的电场可在5mv至100mv的范围内。牙冠(16)将被粘接或拧紧在植入物主体上方。在电子系统由控制器和电池组成的情况下，这些(13)必须在没有咀嚼力的情况下操作，然后才能被移除，并且压电部件会激发电场，在植入物的整个生命周期中，压电部件都会通过咀嚼力来致动。压电部件由生物相容性材料组成，例如钛酸钡BaTiO3或铌酸钙钛矿化合物((K,Na)NbO3)，称为KNN，并当经受由于诸如咀嚼的载荷而变形时，产生电场。

参考书目

[1]US 8,374,697 B2—电动牙科螺钉植入物

[2]CN 103006343 B—牙种植体微电刺激愈合装置

[3]WO 2006043748 A1—用于加速骨骼整合的装置

[4]US 2003/0153965 A1—用于生物医学应用的导电纳米复合材料。

[5]US 5738521 A—使用电刺激来加速金属骨骼植入物的骨骼整合的方法。

在本公开的一个实施例中，牙种植体可以在其内部包括竖直通道(即，沿着限定沿其长度的轴线的牙种植体的纵向通道)和径向通道(其在植入物的侧表面和下表面以孔的形式终止)，并且其中每个通道均包括导电材料，以便激发沿植入物表面的多个电场。

在一个实施例中，植入物可包括位于基台或牙冠上的电子部件，该电子部件由带有芯片的电池或压电部件组成。

在一个实施例中，电场在5mv至100mv的范围内。

在一个实施例中，导电材料可为金属或聚合物，其带有使聚合物导电的颗粒或纤维。

在一个实施例中，金属选自银或金或铂或另一种生物相容的且导电的金属。

在一个实施例中，聚合物可选自PEEK或PMMA或另一种生物相容聚合物。

在一个实施例中，聚合物还可包括银颗粒或碳纳米管，或使聚合物导电的其它生物相容性材料。

在一个实施例中，植入物可为陶瓷或陶瓷复合材料。

在一个实施例中，植入物可为氧化锆或氧化铝或它们的混合物。

在一个实施例中，植入物还可包括1％至20％的氧化钇和/或二氧化铈和/或氧化镁。

在一个实施例中，植入物还可包括羟基磷灰石和/或TCP和/或生物玻璃。

在一个实施例中，用于获得植入物的方法可包括以下步骤：

a.混合植入物的组成陶瓷材料，并在10MPa到200MPa之间的压力下将其压紧，直到获得压紧的块；

b.预烧结获得的块；

c.通过铣削对块进行机械加工，以便获得具有竖直通道和径向通道以及相应孔的植入物；

d.将块在1200℃至1600℃的温度下烧结1至5个小时。

在一个实施例中，该方法可包括可另选地通过激光烧蚀产生的通道。

在一个实施例中，失蜡铸造方法可以包括以下步骤：

a.将植入物放在由蜡组成的树形进给系统中；

b.将蜡添加到植入物孔中；

c.将包含植入物的进给系统浸入石膏中，直到获得石膏模具；

d.将模具加热至400℃的温度以提取蜡；

e.将模具放置在800℃的炉子中2小时；

f.移除模具并将金属倒入石膏模具中和植入物的孔中。

在一个实施例中，用导电聚合物填充内部通道的方法可包括以下步骤：

a.将具有孔的植入物放置在石墨材料或类似材料的模具内，其中该模具由主体、下部部分和上部部分与植入物一起构成；

b.将聚合物放置在模具内并进行加热，直到聚合物复合物达到液态、糊状或半固态，并灌注孔。

在一个实施例中，可通过在真空下施压紧力来进行孔的灌注过程，这导致聚合物复合物流入植入物的孔口中，从而完全填充它们。

当然，本公开绝不以任何方式限于本文描述的实施例，并且本领域的普通技术人员可根据如所附权利要求所限定的每种情况的要求提供多种可能性来对其进行修改并用等同的技术特性来代替技术特性。

以下权利要求进一步限定优选实施例。

Claims

1.一种牙种植体，所述牙种植体限定沿其长度的轴线，且所述牙种植体是从烧结块获得的，所述牙种植体在其内部包括以孔的形式终止于植入物的表面的纵向通道和径向通道，其中，每个通道包括用于沿所述植入物的所述表面产生多个电场的导电材料，并且其中，每个孔具有灌注的导电材料。

2.根据权利要求1所述的牙种植体，其中，所述径向通道以孔的形式终止于所述植入物的侧表面，并且所述纵向通道以孔的形式终止于所述植入物的顶表面。

3.根据权利要求1或2所述的牙种植体，其中，所述径向通道以孔的形式终止于侧表面，相应的导电材料以使得沿着所述植入物的表面的电极交替的方式进行连接。

4.根据权利要求1或2所述的牙种植体，其中，所述纵向通道和径向通道以孔的形式终止于所述植入物的侧表面和下表面。

5.根据权利要求1或2所述的牙种植体，包括位于基台或牙冠上的电子部件，所述电子部件包括具有集成电路、芯片的电池或压电部件。

6.根据权利要求5所述的牙种植体，其中，所述电子部件被配置成使得所述电场在5mv到100mv之间的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的牙种植体，其中，所述导电材料是金属或聚合物，所述金属或聚合物填充有使所述聚合物导电的颗粒或纤维。

8.根据权利要求7所述的牙种植体，其中，所述金属选自：银或金或铂，或生物相容且导电的其它金属或金属合金。

9.根据权利要求7所述的牙种植体，其中，所述聚合物选自PEEK或PMMA，或其它生物相容聚合物。

10.根据权利要求9所述的牙种植体，其中，所述聚合物还包括银颗粒或碳纳米管，或使所述聚合物导电的其它生物相容性材料。

11.根据权利要求1或2所述的牙种植体，其中，烧结的所述植入物块是陶瓷的或基于陶瓷的复合材料。

12.根据权利要求11所述的牙种植体，其中，烧结的所述植入物块是氧化锆或氧化铝或它们的混合物。

13.根据权利要求12所述的牙种植体，其中，所述植入物包括1％至20％的氧化钇和/或二氧化铈和/或氧化镁。

14.根据权利要求1或2所述的牙种植体，包括羟基磷灰石和/或βTCP和/或生物玻璃。

15.用于获得根据权利要求1至14中任一项所述的牙种植体的方法，包括以下步骤：

将所述植入物的组成陶瓷材料进行混合，并在10MPa到200MPa之间的压力下将所述组成陶瓷材料压紧，直到获得压紧的块；

将所获得的块进行预烧结；

通过铣削或通过激光烧蚀对所述块进行机械加工，以获得具有所述纵向通道和径向通道以及相应孔的所述植入物；

将所述块在1200℃和1600℃之间的温度下烧结1至5个小时的时间；

用导电材料填充所述纵向通道和所述径向通道。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，用导电材料填充所述纵向通道和所述径向通道通过失蜡铸造方法来执行，所述失蜡铸造方法包括以下步骤：

将所述植入物放置在由蜡组成的树的形式的进给系统中；

向所述植入物孔添加蜡；

将含有所述植入物的所述进给系统浸入石膏中，直到获得石膏模具；

将所述模具加热至400℃的温度以提取所述蜡；

将所述模具放置在800℃下的炉子中2小时的时间；

移除所述模具并将金属倒入所述石膏模具中和所述植入物孔中。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，通过导电聚合物填充内部通道包括以下步骤：

将具有所述孔的所述植入物放置在石墨材料或类似材料的模具内，其中，所述模具由主体、下部部分和上部部分与所述植入物一起构成；

将所述聚合物放置在所述模具内，然后将所述聚合物进行加热，直到聚合物复合物达到液态、糊状或半固态，并灌注所述孔。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，通过在真空下施加压力来完成所述孔的所述灌注，所述压力使所述聚合物复合物流入所述植入物的所述孔中以便填充它们。