CN112426189A - 一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，包括螺钉本体，所述螺钉本体突出螺钉的螺纹间距沟槽设有若干个孔洞，所述孔洞尺寸从上至下呈差异性分布，以适应可降解骨水泥或温敏性水凝胶因粘度变化而产生的挤出阻碍。可注射型可降解骨水泥或含生物活性诱导因子的温敏型水凝胶可通过该螺钉中空腔体结构并经孔洞原位富集于腱骨界面，以达到促进腱骨界面新骨生成和长入的目的。

Description

一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其是涉及一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，用于临床前交叉韧带重建。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的一些理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament，简称ACL)撕裂是最为常见的运动型损伤，临床专家一致认为手术重建是恢复膝关节功能的最有效方式。据估计，每年大概有50万例前交叉韧带重建手术数。目前临床上普遍采用钛、聚乳酸和聚醚醚酮界面螺钉对替代肌腱移植物进行固定，虽然大部分患者可基本恢复其膝关节功能，但每年有10％以上重建后愈合不理想。大量研究显示这可能与现有界面螺钉材质(如缺乏生物活性、过高力学模量或降解过程释放的酸性低聚物)有关。可降解镁金属，力学模量适中，且具良好的生物相容性，有望被开发成新一代界面螺钉应用于ACL重建。
本发明人前期研究发现镁基界面螺钉降解过程释放出来的镁离子，可改善腱骨界面愈合效果，但生物学刺激效应仍显不足。
为了加速腱骨界面愈合，添加具有促骨/促血管生成的生物材料、生物活性因子或具分化功能的干细胞可能是一种有效的治疗策略。
发明内容
本发明要解决的技术问题是降低临床前交叉韧带重建后腱骨界面愈合不良率，拟通过一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉来实现目的。该螺钉具独特的多孔设计，一方面可注入含磷酸钙和磷酸镁等成分的可降解骨水泥来加速新骨生成，另一方面可注入多功能性水凝胶以释放活性因子(如骨形态形成蛋白等)来加速肌腱-骨界面愈合。另外其独特的多孔结构也可使界面螺钉周围骨组织长入。
本发明上述目的是通过以下技术方案实现：
本发明实施例的第一方面，提供一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，包括螺钉本体，其表面由螺纹覆盖，内部设有中空腔体；所述螺钉本体按照从螺钉头部至尾部的方向分为上段和下段，上段螺纹间的沟槽设有若干个与所述中空腔体相连通的孔洞，所述上段占所述螺钉本体总长的50-60％。
可选地，所述具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，还包括：与螺钉本体内中空腔体相匹配的堵帽。其用途是当界面螺钉固定股骨端或胫骨端的肌腱移植物以后，再将其装配在螺钉本体上段和下段的连接处以防止注射的未固化的骨水泥或水凝胶从螺钉尾部流出到骨髓腔或其他组织引起排异反应。
进一步地，所述中空腔体按照从螺钉头部至螺钉尾部的方向依次为相互连通的第一通道和第二通道，第一通道对应上段，第二通道对应下段，所述第一通道横截面的内接圆直径大于第二通道的横截面的内接圆直径，封堵时堵帽封堵在第一通道和第二通道的连接处。
进一步地，所述堵帽包括头部和尾部，头部外接圆的直径大于尾部外接圆直径，所述第一通道的横截面内接圆直径≥堵帽头部外接圆的直径，堵帽尾部外接圆的直径≤所述第二通道的横截面内接圆直径＜堵帽头部外接圆的直径，因此堵帽可封堵在第一通道和第二通道的连接处。
更进一步地，所述堵帽为T型堵帽；优选的，所述T型堵帽包括正六角型头部和与头部相连的圆柱型尾部，内部设有中空腔体，末端密闭。所述T型堵帽是通过螺丝刀装配到界面螺钉中，需要部分中空结构将螺丝刀插入到T型堵帽中。其中T型堵帽尾部圆柱形长度不限于3mm，分布范围可为3mm-12mm，另外中空腔体的长度范围不限于2mm，分布范围可为2mm-11mm。T型堵帽可有效防止注射的未固化的骨水泥或水凝胶从螺钉尾部流出，其它结构类似垫片，不能牢固地固定在中空腔体内，无法完全避免液体从螺钉尾流出。相应地，所述第一通道横截面的形状可设置为不仅仅限于正六角形，所述第二通道横截面的形状可设置为不仅仅限于圆形。
更进一步地，所述堵帽的材质为医用可降解物质，包括但不限于：共聚物PLGA，能够在短时间降解且不影响周围组织生长。
可选地，所述螺钉本体按照从螺钉头部至尾部的方向，整体呈倒圆台或倒圆锥或圆柱结构。
可选地，所述螺钉本体内部设有用于穿过定位器械的中空腔体，贯穿整个螺钉本体，所述定位器械包括但不限于:螺丝刀、导针。
可选地，所述孔洞用于前交叉韧带重建中从螺钉头部注入可降解骨水泥促进骨性愈合或注射温敏性水凝胶可释放促骨生成的活性因子。
可选地，所述可降解骨水泥的成分，包括但不仅仅限于：可降解磷酸钙和/或磷酸镁，在室温下5-20分钟内凝固。
可选地，所述温敏性水凝胶的成分，包括但不仅仅限于：聚N-异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物、聚环氧乙烷(PEO)-聚环氧丙烷(PPO)-聚环氧乙烷(PEO)、聚(ε-己内酯)-聚(乙二醇)-聚(ε-己内酯)、聚(ε-己内酯)-2-甲基丙烯酸羟乙基乙酯(PCL-HEMA)链或聚(N-异丙基丙烯酰胺)。
可选地，所述温敏性水凝胶在36-38℃从液态变为固态时长为30-60秒，在30-32℃及其以下从固态变为液态。
进一步地，所述温敏性水凝胶为多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球，多功能温敏性水凝胶微球包括内层水相、中层水相和外层水相，外层水相为含有血管内皮生长因子(VEGF)和血小板衍生生长因子BB(PDGF-BB)的温敏性水凝胶溶液，来促进肌腱-骨界面血管生成；中层水相为含有干细胞(stem cell)和转化生长因子β1蛋白(TGF-β1)的温敏性水凝胶溶液；内层水相为含有干细胞(stem cell)和骨形态发生蛋白2(BMP-2)的温敏性水凝胶溶液，以期募集更多的干细胞参与修复，并促进成骨分化，最终加速骨长入腱骨界面。所述多功能温敏性水凝胶微球可通过毛细管微流控技术制备出油包水包油结构的水凝胶微球结构，本发明提到的多功能水凝胶可通过微流控技术一次性将三层水凝胶挤出至油相溶液中，形成多功能水凝胶微球。多功能水凝胶形成过程，将第一层含有stem cell和BMP-2的温敏性水凝胶溶液挤入第一个油相后，再进入第二层含有stem cell和TGF-β1的温敏性水凝胶溶液中，此时形成油包水微球。接着挤入第二个油相中形成水包油包水微球，然后进入第三层含有VEGF和PDGF-BB的温敏性水凝胶溶液中形成油包水包油包水微球，最后挤入第三个油相形成水包油包水包油包水微球，制备出水凝胶后对其进行除油处理，就形成layer-by-layer三层水凝胶微球，其中，所述油相或油为动物油、植物油、微生物油脂、矿物油、硅油类、与水不相溶的有机溶剂中的一种。所述多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球通过从界面螺钉的孔洞流出，在36～38℃下，内层水相、中层水相和外层水相中的水凝胶开始从液态变为固体，破坏W/O/W/OW/O微球结构，依次释放生物活性因子，首先释放外层VEGF和PDGF-B，促进肌腱-骨界面血管生成，然后依次释放中层的stem cell和TGF-β1以及内层的stem cell和BMP-2，在肌腱-骨界面血管生成的基础上，加速血管生成骨头，形成骨小梁结构。
可选地，所述孔洞外接圆直径大小依据可降解骨水泥或温敏性水凝胶在体内形态变化时间决定。
可选地，所述孔洞形状可呈圆形、四边形或三角形，经流体建模模拟不同孔洞形状的流动速度，最终优选出圆形孔洞。
可选地，所述孔洞形状如三角形、四边形，流速相对较慢，可注射可降解骨水泥。
可选地，孔洞外接圆直径范围为0.3-1.8mm，所述孔洞的外接圆直径沿螺钉本体从上至下呈差异性分布，具体地，所述孔洞按照螺纹切割线从上至下分布，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为amm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为a+(0.2-0.3)mm，按照0.2-0.3mm的尺寸递增，a的取值范围为0.3-1.5mm。例如，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为0.3mm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为0.6mm,按照0.3mm的尺寸递增。该数据是根据上段孔洞结构分布数量以及流体模拟孔洞流速大小的得到的结果，以适应可降解骨水泥或温敏性水凝胶因粘度变化而产生的挤出阻碍。
可选地，所述中空腔体注射可降解骨水泥时，其凝固时间较长，孔洞直径应小控制流速，其孔洞外接圆直径范围为0.3-1mm。需要注意的是，本发明中圆的外接圆是它本身。可选地，所述中空腔体注射温敏性水凝胶，凝固时间短，孔洞直径略大，其孔洞外接圆直径范围为1.1-1.8mm。
可选地，所述上段(即孔洞分布长度)占所述螺钉本体总长的50-60％，长度为12-18mm。本发明的多孔结构分布在螺钉本体上段，一方面是为了确保螺钉尾具有完整性，避免手术过程中螺钉尾受力不均匀破碎，另一方面是根据上段孔洞结构分布数量和孔洞大小以及流体模拟孔洞流速大小结果，可初步判断上段孔洞能够在可降解骨水泥或温敏性水凝胶固化之前从孔洞流出，不存在过多积余。另外孔洞尺寸是采用从上至下呈差异性分布，以适应可降解骨水泥或温敏性水凝胶因粘度变化而产生的挤出阻碍。
可选地，界面螺钉长度一般分布范围在24-30mm。
可选地，所述孔洞沿螺纹切割线均匀分布，相邻两个孔洞之间的距离为3-5mm。螺纹线是构造螺钉外螺纹数量和间距的线，螺纹切割线是螺纹形状沿着螺纹线切割，最终形成支撑形螺纹的结构。其中一圈螺纹切割线大概是19mm，简言之一圈螺纹切割线上有4-6个孔洞。
基于手术实施中孔洞应力对螺钉本体的影响，本发明选择了特定镁合金作为螺钉本体的材质。可选地，所述螺钉本体的材质是镁合金，具体地，镁合金包括但不限于：镁锌钙MgZnCa、镁稀土合金WE43、镁锌锶MgZnSr或镁锌合金AZ31。
本发明通过流体建模模拟以及考察实际应用时孔洞应力分布情况，提供了一种优选地具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，包括：螺钉本体，其表面由螺纹覆盖，内部设有中空腔体；所述螺钉本体按照从螺钉头部至尾部的方向分为上段和下段，上段螺纹间的沟槽设有若干个与所述中空腔体相连通的孔洞，所述上段占所述螺钉本体总长的50-60％，所述上段长度为12-18mm，孔洞外接圆直径范围为0.3-1mm；所述孔洞沿螺纹切割线均匀分布，间距为3-5mm；
还包括：与中空腔体相匹配的堵帽，封堵时位于上段和下端连接处。
本发明实施例第二方面，提供了一种根据所述的可降解多孔镁基界面螺钉的应用方法，该方法包括以下步骤：
方案一：
(1)将所述螺钉本体放入需重建机体中，且固定好股骨端和胫骨端的肌腱移植物；
(2)将事先准备好的可降解骨水泥装入指定注射器中，通过螺钉头部向螺钉本体的中空腔体中注入，经注射至中空腔体可由孔洞流出并固化，最后原位富集于腱骨界面发挥生物学效应。
方案二：
(1)将所述螺钉本体放入需重建机体中，且固定好股骨端和胫骨端的肌腱移植物；
(2)含生物活性因子的温敏性水凝胶低温下完成配置后，通过螺钉头向螺钉本体的中空腔体中注入，经注射至螺钉中空腔体可由孔洞流出并固化，最后原位富集于腱骨界面发挥生物学效应。
与现有技术相比，有益效果是：
本发明实施例通过设计多孔镁基界面螺钉，其多孔结构的孔洞尺寸从上至下呈差异性分布，以适应骨水泥或水凝胶因粘度变化而产生的挤出阻碍。可注射型骨水泥或含生物活性诱导因子的温敏型水凝胶可通过该螺钉中空结构并经孔洞原位富集于腱骨界面，以达到促进腱骨界面新骨生成和长入的目的。
附图说明
构成本发明一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1显示为本发明实施例界面螺钉的差异分布圆形孔阵列图。
图2显示为本发明实施例界面螺钉与T型堵帽装配半剖面图。
图3显示为本发明实施例界面螺钉的俯视图。
图4显示为本发明实施例界面螺钉的仰视图。
图5显示为本发明实施例界面螺钉的四边形孔阵列图。
图6显示为本发明实施例界面螺钉的三角形孔阵列图。
图7显示为本发明实施例界面螺钉装配T型堵帽三视图。
图8显示为本发明实施例界面螺钉孔洞注入可降解骨水泥示意图。
图9显示为本发明实施例界面螺钉孔洞注入温敏性水凝胶含活性因子示意图。
图10显示为本发明实施例界面螺钉外侧不同形状的孔洞流速模型示意图。
图11微流控技术制备三层水凝胶简化示意图。
图12三层水凝胶制备过程示意图。
附图标记说明：1-螺钉本体，2-螺纹，3-螺纹沟槽，4-圆形孔洞，5-螺纹切割线，6-螺牙，7-可降解骨水泥，8-温敏性水凝胶，9-活性因子，10-四边形孔洞，11-三角形孔洞，12-中空腔体，13-螺钉尾，14-堵帽。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，术语“连接”、“相连”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中具体含义，不能理解为对本发明的限制。
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，本领域技术人员在没有作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。
本课题组长期致力于可降解镁基界面螺钉的研究与开发，我们以往的研究结果显示：镁基界面螺钉通过降解过程释放的镁离子可改善ACL重建后腱骨界面愈合效果，但生物学刺激效应仍显不足。
基于此，本发明实施例通过一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，辅助注射可降解骨水泥来促进腱骨界面新骨生成长入。
含磷酸钙和/或磷酸镁等成分的可降解骨水泥不仅具有良好的生物相容性和力学性能，还具备骨传导性，利于细胞粘附、增殖、血管形成和组织生长。此外该材料的降解速度和骨组织形成速度相匹配，可以解决由于镁基界面螺钉降解过快导致稳定性不足的问题。
除此之外，本发明实施例通过一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉还可注射多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球，多功能温敏性水凝胶微球包括内层水相、中层水相和外层水相，外层水相为含有血管内皮生长因子(VEGF)和血小板衍生生长因子BB(PDGF-BB)的温敏性水凝胶溶液，来促进肌腱-骨界面血管生成；中层水相为含有干细胞(stemcell)和转化生长因子β1蛋白(TGF-β1)的温敏性水凝胶溶液；内层水相为含有干细胞(stemcell)和骨形态发生蛋白2(BMP-2)的温敏性水凝胶溶液，以期募集更多的干细胞参与修复，并促进成骨分化，最终加速骨长入腱骨界面。
本发明实施例提供的一种根据所述具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉的应用方法，具体方案如下：
方案一，在前交叉韧带重建手术过程中，用导针引导的镁基界面螺钉固定好股骨端和胫骨端的肌腱移植物，其次将设计好的共聚物PLGA材质的T型堵帽装配至螺钉中空结构中，防止注射的骨水泥从螺钉尾部流出。将事先准备好的可降解骨水泥装入指定注射器中，通过螺钉头向本体的中空腔体注入，经注射至螺钉中空腔体可由孔洞完全流出并固化，最后原位富集于腱骨界面发挥生物学效应。
方案二，在前交叉韧带重建手术过程中，用导针引导的镁基界面螺钉固定好股骨端和胫骨端的肌腱移植物，其次将设计好的共聚物PLGA材质的T型堵帽装配至螺钉中空结构中，防止注射的未固化的水凝胶从螺钉尾部流出。含生物活性因子的温敏型水凝胶低温下完成配置后，经注射至螺钉中空腔体可由孔洞完全流出并固化，最后原位富集于腱骨界面发挥生物学效应。
不同的手术方案是为了防止可降解骨水泥在体内长时间呈液体状而流入到组织中或骨髓腔中，产生排异反应。另一方面是为确保温敏性水凝胶在呈液态时及时注入螺钉内。
为了加快肌腱-骨界面愈合，本发明实施例提供的具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉结构如下：
如图1-图10所示，一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，整体呈倒圆台结构，包括螺钉本体1，螺钉本体1外侧设有螺纹2，螺纹与螺纹之间螺纹沟槽3，，螺纹沟槽3中包含螺纹切割线5；螺钉本体1内部设有中空腔体12，所述螺钉本体1按照从螺钉头部至尾部的方向分为上段和下段，上段螺纹2间的沟槽设有若干个与所述中空腔体12相连通的孔洞，所述上段占所述螺钉本体1总长的50-60％。
在一些实施例中，圆形孔洞4分布长度(即上段)占螺钉本体1总长的50-60％，包括但不限于50％、51％、52％、53％、54％、55％、56％、57％、58％、59％、60％。通过改善圆形孔洞的分布长度可适当加快流体流出速度。
在一些实施例中，圆形孔洞4分布长度约为12-18mm，包括但不限于12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm，通过加大圆形孔洞在整体分布的长度，适当增加孔洞率，加快缓释功效。
在一些实施例中，螺纹与螺纹之间螺纹沟槽3设有四边形孔洞10或三角形孔洞11。
在一些实施例中，圆形孔洞4中注入可降解磷酸钙和/或磷酸镁骨水泥，孔洞直径为0.3-1mm，包括但不限于0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm。在另一些实施例中，圆形孔洞4中注入可降解温敏性水凝胶，孔洞直径为1.1-1.8mm，包括但不限于1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm。不同的实施例中孔洞的直径大小主要是依据可降解骨水泥或温敏水凝胶在体内从液态转化为固态的时间长短。
在一些实施例中，四边形孔洞10和三角形孔洞11中注入可降解磷酸钙和/或磷酸镁可降解骨水泥，孔洞外接圆直径为0.3-1mm，包括但不限于0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm。在另一些实施例中，四边形孔洞10和三角形孔洞11中注入可降解温敏性水凝胶，孔洞直径为1.1-1.8mm，包括但不限于1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm。经过流体模拟证实四边形孔洞9和三角形孔洞11的流速较圆形孔洞4慢，因此，本发明四边形孔洞10和三角形孔洞11主要针对注射可降解磷酸钙和/或磷酸镁骨水泥，其凝固时间长，流速应控制较慢，以免出现长时间呈液体状而流入到组织中或骨髓腔中，产生排异反应。
在一些实施例中，圆形孔洞4沿螺纹切割线5均匀分布，一圈螺纹切割线5弧长约19mm。
在一些实施例中，圆形孔洞4在螺纹2与螺纹2螺纹沟槽3上均匀分布。沿着螺纹切割线5方向，相邻的圆形孔洞4与圆形孔洞4间距为3-5mm，包括但不限于3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm，通过改变孔洞之间的间距，可适当调整孔洞的数量，控制注入液体的流出速率。
具体地，螺钉本体1为多孔结构，如图1，图2，图3，图4，图5，图6所示，外侧螺纹2与螺纹2之间螺纹沟槽3中分布圆形孔洞4，圆形孔洞4沿着螺纹切割线5均匀分布，其导通方式为单侧导通，在此，不采用两边对称式导通是为了避免螺牙6被破坏，保持螺钉外观具有层次感。若螺牙6被圆形孔洞4穿孔会增加界面螺钉与周围骨间的摩擦力，易断裂。
螺钉本体1为多孔结构，在一实施例中，螺纹2与螺纹2之间螺纹沟槽3中分布四边形孔洞10或三角形孔洞11，设计不同形状的孔洞是为了验证螺钉本体1上分布不同的孔洞可针对性的注入不同液体。
所述中空腔体12按照从螺钉头部至螺钉尾部的方向依次为相互连通的第一通道和第二通道，第一通道对应上段，第二通道对应下段，所述第一通道横截面的内接圆直径大于第二通道的横截面的内接圆直径。
此外螺钉本体1中具有装配结构-T型堵帽，包括正六角型头部和与头部相连的圆柱型尾部，三视图如图7，头部外接圆的直径大于尾部外接圆直径，所述第一通道的横截面内接圆直径≥堵帽头部外接圆的直径，堵帽尾部外接圆的直径≤所述第二通道的横截面内接圆直径＜堵帽头部外接圆的直径，因此堵帽可封堵在第一通道和第二通道的连接处。相应地，所述第一通道横截面的形状为正六角形，所述第二通道横截面的形状为圆形。在一些实施例中，将螺钉本体1固定股骨端和胫骨端的肌腱移植物，将T型堵帽固定在螺钉中空腔体12结构，以防止注射的未固化的骨水泥或水凝胶从螺钉尾部流出到骨髓腔或其他组织引起排异反应。
通过流体模型模拟不同形状的孔洞流出速度的大小如图10所示，其中圆形孔洞4流出速度为0.12m/s，四边形孔洞10流出速度为0.095m/s，三角形孔洞11流出速度为0.079m/s。上述模拟结果初步显示在相同流入速度下，圆形孔洞流出速度最大。
在一实施例中，圆形孔洞4分布长度占螺钉本体1总长的50-60％，约为12-18mm，该设计是为了确保在螺钉本体1上有一定数量的圆形孔洞，适当加快流体流出速度，加快缓释功效。同时限制其分布长度是为了确保螺钉尾具有良好的完整性，在手术过程中钻入胫骨近端和股骨远端通道中，不易破碎。
在一实施例中，圆形孔洞4在螺纹切割线5上均匀分布，沿螺纹切割线5方向相邻的圆形孔洞4与圆形孔洞4间距为3-5mm。该设计细化了圆形孔洞4之间的间距，适当调整圆形孔洞分布的数量，可根据注入不同液体来控制流出速率。
螺钉本体1外侧螺纹沟槽3间距分布圆形孔洞4或四边形孔洞10、三角形孔洞11，其多孔结构是为了注入可降解骨水泥或含生物活性因子的多功能温敏水凝胶，以改善临床ACL重建腱骨界面愈合效果。
在一些实施例中，圆形孔洞4注入可降解磷酸钙和/或磷酸镁骨水泥，经研究发现可降解磷酸钙、磷酸镁骨水泥在体内37℃左右，从流体状态变为凝固状态需要5-20分钟。圆形孔洞4直径为0.3-1mm，以避免可降解骨水泥从周围孔洞中流出后，流入到周围组织或骨髓腔中产生排异反应。
在一些实施例中，圆形孔洞4中注入可降解温敏性水凝胶，经文献报道现有多种温敏性水凝胶，如聚N-异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物、聚环氧乙烷(PEO)-聚环氧丙烷(PPO)-聚环氧乙烷(PEO)等，大部分温敏水凝胶在体内37℃左右，从液态变为固态时长需30-60秒，而在32℃左右会从固态变为液态时长30秒。圆形孔洞直径为1.1-1.8mm，该设计为了确保温敏性水凝胶能够在短时间内从螺钉本体1外侧多孔结构流出，若圆形孔洞4直径较小，会导致水凝胶凝固在螺钉头中无法流出。本发明的可降解温敏性水凝胶为多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球，该多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球可通过微流控技术一次性将三层水凝胶挤出至油相溶液中，形成多功能水凝胶微球如图11。多功能水凝胶形成过程如图12，在低温(32℃或其以下)下，将第一层水凝胶(含stem cell和BMP-2)挤入第一个油相后，再进入第二层水凝胶溶液(含stem cell和TGF-β1)中，此时形成油包水微球。接着挤入第二个油相中形成水包油包水微球，然后进入第三层水凝胶溶液(含VEGF和PDGF-BB)中形成油包水包油包水微球，最后挤入第三个油相形成水包油包水包油包水微球，制备出水凝胶后对其进行除油处理，就形成layer-by-layer三层水凝胶微球，其中，所述油相或油为动物油、植物油、微生物油脂、矿物油、硅油类、与水不相溶的有机溶剂中的一种。
在一些实施例中，所述孔洞的外接圆直径沿螺钉本体从上至下呈差异性分布，具体地，所述孔洞按照螺纹切割线从上至下分布，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为a mm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为a+(0.2-0.3)mm，按照0.2～0.3mm的尺寸递增，a的取值范围为0.3-1.5mm。例如，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为0.3mm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为0.6mm,按照0.3mm的尺寸递增。该数据是根据上段孔洞结构分布数量以及流体模拟孔洞流速大小的得到的结果，以适应可降解骨水泥或温敏性水凝胶因粘度变化而产生的挤出阻碍。
本发明实施例的多孔镁基界面螺钉能够满足临床前交叉韧带重建手术操作要求，还能加快肌腱-骨界面愈合，有利于推动新型镁基界面螺钉应用于临床前交叉韧带重建。
在一些实施例中，本发明的具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉的螺钉本体的材质是镁合金，具体地，镁合金包括但不限于：镁锌钙MgZnCa、镁稀土合金WE43、镁锌锶MgZnSr、镁锌合金AZ31，采用机械强度高的镁合金是为了确保界面螺钉的固定强度不受孔洞应力影响。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种具生物活性的可降解多孔镁基界面螺钉，其特征在于，包括螺钉本体，其表面由螺纹覆盖，内部设有中空腔体；所述螺钉本体按照从螺钉头部至尾部的方向分为上段和下段，上段螺纹间的沟槽设有若干个与所述中空腔体相连通的孔洞，所述上段占所述螺钉本体总长的50-60％。
2.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，还包括：与螺钉本体内中空腔体相匹配的堵帽；
所述堵帽的材质为医用可降解物质。
3.根据权利要求2所述的界面螺钉，其特征在于，所述中空腔体按照从螺钉头部至螺钉尾部的方向依次为相互连通的第一通道和第二通道，所述第一通道横截面的内接圆直径大于第二通道的横截面的内接圆直径，封堵时堵帽封堵在第一通道和第二通道的连接处；
所述堵帽包括依次相连的头部和尾部，头部外接圆的直径大于尾部外接圆直径，所述第一通道的横截面内接圆直径≥堵帽头部外接圆的直径，堵帽尾部外接圆的直径≤所述第二通道的横截面内接圆直径＜堵帽头部外接圆的直径。
4.根据权利要求2所述的界面螺钉，其特征在于，所述堵帽为T型堵帽；所述T型堵帽包括正六角型头部和与头部相连的圆柱型尾部，内部设有中空腔体，末端密闭。
5.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，所述孔洞用于前交叉韧带重建中从螺钉头部注入可降解骨水泥促进骨性愈合或注射温敏性水凝胶可释放促骨生成的活性因子；
所述可降解骨水泥的成分，包括可降解磷酸钙和/或磷酸镁，在室温下5-20分钟内凝固；
所述温敏性水凝胶的成分，包括聚N-异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇的嵌段共聚物、聚环氧乙烷(PEO)-聚环氧丙烷(PPO)-聚环氧乙烷(PEO)、聚(ε-己内酯)-聚(乙二醇)-聚(ε-己内酯)、聚(ε-己内酯)-2-甲基丙烯酸羟乙基乙酯(PCL-HEMA)链或聚(N-异丙基丙烯酰胺)；
所述温敏性水凝胶在36-38℃从液态变为固态时长为30-60秒，在30℃-32℃及其以下从固态变为液态；
所述温敏性水凝胶为多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球，包括内层水相、中层水相和外层水相，其中内层水相为含有干细胞(stem cell)和骨形态发生蛋白2(BMP-2)的温敏性水凝胶溶液，中层水相为含有干细胞(stemcell)和转化生长因子β1蛋白(TGF-β1)的温敏性水凝胶溶液，外层水相为含有血管内皮生长因子(VEGF)和血小板衍生生长因子BB(PDGF-BB)的温敏性水凝胶溶液；
所述多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球的制备过程包括：通过毛细管微流控技术将含有stem cell和BMP-2的温敏性水凝胶溶液挤入第一个油相后；再进入含有stem cell和TGF-β1的温敏性水凝胶溶液中，此时形成油包水微球；接着挤入第二个油相中形成水包油包水微球；然后进入含有VEGF和PDGF-BB的温敏性水凝胶溶液中形成油包水包油包水微球，最后挤入第三个油相形成水包油包水包油包水微球，制备出水凝胶后对其进行除油处理，形成多功能温敏性水凝胶W/O/W/OW/O微球。
6.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，所述孔洞形状呈圆形、四边形或三角形。
7.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，孔洞外接圆直径范围为0.3-1.8mm；
所述中空腔体注射可降解骨水泥时，其孔洞外接圆直径范围为0.3-1mm；
所述中空腔体注射温敏性水凝胶，其孔洞外接圆直径范围为1.1-1.8mm；
所述孔洞的外接圆直径沿螺钉本体从上至下呈差异性分布，具体地，所述孔洞按照螺纹切割线从上至下分布，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为a mm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为a+(0.2-0.3)mm，按照0.2-0.3mm的尺寸递增，a的取值范围为0.3-1.5mm。
8.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，所述上段长度为12-18mm；
所述孔洞沿螺纹切割线均匀分布，间距为3-5mm。
9.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，所述螺钉本体的材质是镁合金，具体地，镁合金包：镁锌钙MgZnCa、镁稀土合金WE43、镁锌锶MgZnSr或镁锌合金AZ31。
10.根据权利要求1所述的界面螺钉，其特征在于，包括：螺钉本体，其表面由螺纹覆盖，内部设有中空腔体；所述螺钉本体按照从螺钉头部至尾部的方向分为上段和下段，上段螺纹间的沟槽设有若干个与所述中空腔体相连通的孔洞，所述上段占所述螺钉本体总长的50-60％，所述上段长度为12-18mm，所述孔洞的外接圆直径沿螺钉本体从上至下呈差异性分布，第一圈螺纹切割线起孔洞直径为a mm，第二圈螺纹切割线孔洞直径为a+(0.2-0.3)mm，按照0.2-0.3mm的尺寸递增，a的取值范围为0.3-1.5mm；所述孔洞沿螺纹切割线均匀分布，间距为3-5mm；
还包括：与中空腔体相匹配的T型堵帽，封堵时位于上段和下端连接处。
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