CN115105641A - 一种可骨性愈合连接的皮下植入材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种皮下植入材料，所述皮下植入材料包括三层结构：即用于与骨面接触的骨接触层，对侧远离骨面的皮接触层，以及具有连接骨接触层和皮接触层的中间连接层。所述骨接触层和中间连接层由骨性愈合材料形成，所述皮接触层由软性高分子材料形成。所述皮下植入材料的骨接触层和中间连接层上设置有通孔，骨接触层孔径为0.2‑1mm、孔隙率50‑80％，厚度1.5‑2mm，中间连接层孔径为0.5‑2mm、孔隙率35‑50％，厚度2‑3mm，皮接触层厚度为5‑10mm。本发明提供的皮下植入材料与骨组织可形成骨性结合，具有防止植入体发生移位的效果。

Description

一种可骨性愈合连接的皮下植入材料
技术领域
本发明属于医用皮下植入体材料技术领域，具体涉及一种具有骨性愈合连接效果的皮下植入材料。
背景技术
医疗整形主要是对先天性或外伤等原因造成的体表组织器官的畸形和缺损依靠外科手术的方法进行重建、修复，采用软组织填充材料在畸形和缺损部位进行植入是目前主要的治疗方式。随着医疗整形技术的发展，越来越多的人愿意通过医疗整形的手段来提升自己的颜值。
其中，隆鼻整形已有百余年历史，其基本理论已经相当成熟。但随着医疗技术的飞快发展以及人们对鼻部审美的不断变化，对隆鼻用植入材料提出了新的要求。早期隆鼻所使用的材料是自体肋软骨，其优点是相容性好、抗感染能力强，无免疫排斥反应、能够自体愈合；缺点是需要自身的肋骨等，二次手术对人体的伤害较大，患者较痛苦，而且存在远期吸收和变形等问题。
除此以外，临床上常用的植入物材料是合成高分子材料，如硅胶、膨体聚四氟乙烯等。硅胶具有良好的理化稳定性、生理惰性、耐腐蚀性和加工性能，是目前临床最为常用的填充材料。膨体聚四氟乙烯材料质感与正常鼻体组织接近，有弹性，不容易被撕折，内部具有超微的多孔结构，周围的血管及组织能长入，固定效果较好。但上述两种材料的缺点是表面性能差，细胞组织不易在其表面粘附，不能与自身组织愈合，外力作用下容易出现移位。有文献报道鼻背部硅胶植入物外露的发生率达10.0％，而在鼻小柱则高达50.0％，随时间推移也会导致植入物移位和形变。聚四氟乙烯植入鼻部后，也可能发生的并发症与硅胶植入体类似，如发生移位和形变。因此，有必要研究一种新的皮下植入材料，其与移植部位的骨组织具有骨性连接效果，防止植入材料发生移位，保持植入材料的长期稳定，推动人工合成植入材料在医学整形领域中的应用。
专利文献201911243072.8公开了一种带涂层表面的膨体聚四氟乙烯面部植入体，所述植入体是在膨体聚四氟乙烯表面涂覆一层乳液，所述乳液选自聚四氟乙烯乳液、聚全氟乙丙烯乳液或可熔性聚四氟乙烯乳液。虽然所述技术方案在膨体聚四氟乙烯表面涂覆乳液层用于改善膨体聚四氟乙烯表面毛糙等问题，但并没有解决植入体与骨面愈合性连接的问题。
专利文献201110179340.1公开了一种医用生物材料，所述医用生物材料是将40-80％的羟基磷灰石和20-60％的硅橡胶按比例混炼，硫化，高压蒸汽灭菌制备得到。但是，所述羟基磷灰石未经烧结，没有致密的晶体结构，力学强度差，影响材料的生物活性。另外，这种均质混合材料的弹性模量与皮肤不相称，与骨面接触则不利于骨性愈合。
专利文献200710051773.2公开了一种在医用硅橡胶表面制备磷灰石涂层的方法。具体方案是将打磨清洗过的硅橡胶依次浸入CaCl2浓度为0.1摩尔/升的乙醇溶液和K2HPO4·3H2O浓度为0.1摩尔/升的水溶液中，使硅橡胶表面形成一层无定形磷酸钙，再将硅橡胶置于钙磷饱和溶液中一定时间，硅橡胶表面形成一层均匀的磷灰石涂层。但所述技术方案的问题在于磷灰石涂层过薄，植入后很快被吸收，无法起到防止植入件移位的作用。
发明内容
由于当前常用的合成高分子植入材料如硅胶、膨体聚四氟乙烯等不能与自身组织愈合，外力作用下会出现移位。为了改善现有技术的缺陷，针对现有皮下植入材料的不足，本发明提供一种具有骨性愈合连接效果的皮下植入材料。本发明创造性的在硅胶等材料的骨接触面复合具有骨诱导作用的材料，如羟基磷灰石，磷酸三钙，双相磷酸钙等，利用其骨诱导作用，促进植入材料与骨组织形成骨性结合，产生自身愈合，防止植入体发生移位。更进一步的，为了增强硅胶等材料与骨接触层连接的稳定性，发明人在两层之间设置了中间连接层，液体硅胶组分可以浸入中间连接层的通孔内，固化后使得硅胶材料与骨接触层稳固连接。
第一方面，本发明提供一种皮下植入材料，其特征在于，所述皮下植入材料包括三层结构：即用于与骨面接触的骨接触层，对侧远离骨面的皮接触层，以及具有连接骨接触层和皮接触层的中间连接层。
所述骨接触层和中间连接层由骨性愈合材料形成，所述骨性愈合材料包括能够与骨形成骨性结合的材料，如羟基磷灰石，磷酸三钙、双相磷酸钙，所述双相磷酸钙是由羟基磷灰石与磷酸三钙按照质量比(2-3):(7-8)混合制备得到。
所述皮接触层由软性高分子材料形成，所述软性高分子材料选自硅胶。
在本发明的优选实施方式中，所述骨性愈合材料为双相磷酸钙，所述双相磷酸钙由羟基磷灰石与磷酸三钙按照质量比3:7或者2:8混合制备得到。
优选的，所述骨接触层和中间连接层上设置有通孔，骨接触层孔径为0.2-1mm、孔隙率50-80％，厚度1.5-2mm，中间连接层孔径为0.5-2mm、孔隙率35-50％，厚度2-3mm，皮接触层厚度为5-10mm。
更优选的，骨接触层孔径为0.2-0.5mm、孔隙率60-70％，中间连接层孔径为0.8-1.5mm、孔隙率35-45％。
最优选的，骨接触层孔径为0.3-0.5mm，中间连接层孔径为1-1.5mm。
第二方面，本发明提供一种皮下植入材料的制备方法，所述方法包括如下制备步骤：
(1)将骨性愈合材料与光敏树脂按照质量比为2:2.5-3的混合物作为浆料，利用3D打印技术制备得到骨接触层；使用相同浆料在骨接触层之上继续进行3D打印中间连接层，得到骨接触层与中间连接层复合制件；
(2)清除复合制件上多余浆料后将其进行烧结；
(3)将液体硅胶A组分和B组分按照1:1质量比混合均匀，注入模具中，液面厚度5-10mm，在110-120℃下加热4-5min固化；然后在固化的硅胶层上面继续加入上述液体硅胶A组分和B组分，厚度2-3mm；再将步骤(1)中烧结后的复合制件中间连接层一面浸入硅胶，在110-120℃下继续加热25-30min，硅胶固化后制备得到最终所需的皮下植入材料。
为了使复合制件在烧结过程中受热均匀，本发明经过大量试验筛选优化得到最优温度-时间控制条件，如下表所示：
温度(℃) 升温速率(℃/h) 时间(min)
20-150 60 130
150 保温 30
150-450 12 1500
450-900 60 550
900 保温 120
900-1150 50 300
1150 保温 120
1150-室温 自然冷却 -
本发明所述的光敏树脂为本领域技术人员常用的3D打印光敏树脂，具体由丙烯酸酯树脂和光引发剂(重量占比为2％)制备得到，所述光引发剂优选为安息香、安息香双甲醚、安息香乙醚中的一种或两种以上的组合。在本发明的具体实施方式中，使用的光敏树脂为Stratasys 3D光敏树脂材料。
所述液体硅胶A组分和B组分是本领域技术人员常用的用于制备硅胶的原料，其中，液体硅胶A组分由聚二甲基硅氧烷、端羟基聚硅氧烷组成，B组分由四甲基二乙烯基二硅氧烷、铂金络合物和交联剂组成。
本发明所述的3D打印技术是本领域技术人员公知的，并且是已经成熟应用的技术。具体包括提取待植入部位的影像学资料进行三维重建，获得三维数字模型，将模型STL文件导入3D打印机，并根据制件成型方向对仪器进行校准。在计算机上设置所需孔径及孔隙率参数，由计算机控制激光光束，通过设定好的扫描路径照射到浆料表面，浆料固化成型后即得到所需的3D打印制件。
在本发明中，将3D打印得到的骨接触层与中间连接层复合制件进行高温烧结的目的是使骨性愈合材料结晶，使其结构致密化，不仅提高复合制件的力学强度，还能提高其生物活性。而且在高温烧结过程中，浆料中光敏树脂固化形成的有机物被烧化，以二氧化碳的形式排出。在对复合制件进行煅烧加热过程中应保持升温速率稳定，防止制件受热不均开裂。
第三方面，本发明提供一种皮下植入材料在制备鼻植入体、颧骨植入体、颌骨植入体中的应用。更优选的，所述鼻植入体包括鼻背、鼻尖、鼻小柱植入体。
本发明提供的皮下植入材料具有如下技术优势：(1)由于常规植入体如硅胶、膨体聚四氟乙烯等不会与自身组织愈合，在植入后容易在外力作用下出现移位等问题，本发明在硅胶等材料表面复合具有骨愈合效果的材料如羟基磷灰石等，骨性愈合材料在与骨组织接触后进行愈合，将植入材料固定于移植部位，防止植入材料发生移位；(2)此外，发明人在由骨性愈合材料形成的骨接触层设置有孔径为0.2-1mm的通孔，适合骨组织向所述通孔中生长，使骨组织与植入体的骨接触层连成一体，增加骨组织与植入材料的结合强度，防止植入体移位；(3)为了增强硅胶等材料形成的皮接触层与骨接触层之间的相对稳定性，发明人在两层之间设置了中间连接层，所述中间连接层与骨接触层制备原料完全相同，两层间融合性非常好，可以稳固连接，此外，中间连接层具有孔径为0.5-2mm的通孔，液体硅胶组分可以浸入所述通孔内，固化后使得皮接触层与中间连接层稳固连接；(4)本发明通过3D打印进行进行制件，制备工艺成熟，简单易行，制备得到的产品没有毒性物质残留，具备优良的临床应用前景。
附图说明
图1本发明制备的皮下植入材料照片。
图2骨接触层与中间连接层形成的圆形复合制件图像，此复合制件直径10mm，高5mm。图a-c为复合制件不同视角的体视镜照片，图d-f为不同倍数下复合制件两层连接处的形貌。
图3骨接触层与中间连接层形成的复合制件扫描电镜照片，图a-d为实施例1骨接触层的表面形貌；图a1-d1为实施例1中间连接层的表面形貌；图a2-d2为两层交界处的表面形貌，从左到右分别是x35，x100，x200，x2000倍下的扫描电镜图像。
图4细胞毒性测试结果
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部。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。
皮下植入材料的制备
实施例1
S1：提取待植入部位的影像学资料进行三维重建，获得三维数字模型，将模型STL文件导入3D打印机，并根据制件成型方向对仪器进行校准；在计算机上设置孔径及孔隙率参数，将双相磷酸钙(30％羟基磷灰石和70％磷酸三钙组成，由四川大学国家生物材料工程研究中心制备)与光敏树脂按照质量比为2：3的混合物作为浆料，由计算机控制激光光束，通过设定好的扫描路径照射到浆料表面，浆料固化成型后制备得到骨接触层(孔径0.2mm、孔隙率50-70％，厚度2mm)；
S2：在计算机上设置孔径及孔隙率参数，使用相同浆料在骨接触层之上继续进行3D打印中间连接层(孔径0.5mm、孔隙率35-50％，厚度3mm)，得到骨接触层与中间连接层复合制件；
S3：清除复合制件上多余浆料后将其进行烧结，烧结过程温度-时间变化如下表所示；
温度(℃) 升温速率(℃/h) 时间(min)
20-150 60 130
150 保温 30
150-450 12 1500
450-900 60 550
900 保温 120
900-1150 50 300
1150 保温 120
1150-室温 自然冷却 -
S4：将液体硅胶A组分和B组分按照1:1质量比混合均匀，注入模具中，硅胶层厚度为5mm，在120℃下加热5min固化，然后在固化的硅胶层上面继续加入上述液体硅胶A组分和B组分，厚度3mm，将烧结后的复合制件中间连接层一面浸入硅胶，120℃下继续加热30min，硅胶固化后制备得到皮下植入材料。
实施例2
制备方法及原料同实施例1，区别仅在于3D打印过程中骨接触层和中间连接层孔径和孔隙率参数设置不同，制备得到的皮下植入材料骨接触层孔径孔径0.2mm、孔隙率68-80％，厚度2mm，中间连接层孔径0.8mm、孔隙率38-42％，厚度3mm。
实施例3
制备方法及原料同实施例1，区别仅在于3D打印过程中骨接触层和中间连接层孔径和孔隙率参数设置不同，制备得到的皮下植入材料骨接触层孔径0.3mm、孔隙率65-70％，厚度2mm，中间连接层孔径1mm、孔隙率35-45％，厚度3mm。
实施例4
制备方法及原料同实施例1，区别仅在于3D打印过程中骨接触层和中间连接层孔径和孔隙率参数设置不同，制备得到的皮下植入材料骨接触层孔径0.4mm、孔隙率63-70％，厚度2mm，中间连接层孔径1.2mm、孔隙率35-40％，厚度3mm。
实施例5
制备方法及原料同实施例1，区别仅在于3D打印过程中骨接触层和中间连接层孔径和孔隙率参数设置不同，制备得到的皮下植入材料骨接触层孔径0.5mm、孔隙率60-70％，厚度2mm，中间连接层孔径1.5mm、孔隙率33-38％，厚度3mm。
实施例6
制备方法及原料同实施例1，区别仅在于3D打印过程中骨接触层和中间连接层孔径和孔隙率参数设置不同，制备得到的皮下植入材料骨接触层孔径1mm、孔隙率50-55％，厚度2mm，中间连接层孔径2mm、孔隙率30-45％，厚度3mm。
对比实施例1(皮下植入材料无中间连接层)
S1：提取待植入部位的影像学资料进行三维重建，获得三维数字模型，将模型STL文件导入3D打印机，并根据制件成型方向对仪器进行校准；在计算机上设置孔径及孔隙率参数，将双相磷酸钙(30％羟基磷灰石和70％磷酸三钙组成)与光敏树脂按照质量比为2:3的混合物作为浆料，由计算机控制激光光束，通过设定好的扫描路径照射到浆料表面，浆料固化成型后制备得到骨接触层(孔径0.5mm、孔隙率60-70％，厚度2mm)；
S2：清除复合制件上多余浆料后将其进行烧结，烧结过程温度-时间变化同实施例1；
S3：将液体硅胶A组分和B组分按照1:1质量比混合均匀，注入模具中，硅胶层厚度为5mm，在120℃下加热5min固化，然后在固化的硅胶层上面继续加入上述液体硅胶A组分和B组分，厚度2mm，将烧结后的骨接触层一面浸入硅胶，120℃下继续加热30min，硅胶固化后形成皮下植入材料，所述皮下植入材料没有中间连接层。
对比实施例2(皮下植入材料无分层结构)
根据专利文献201110179340.1公开的技术方案，将粒径均在50nm的羟基磷灰石40％和硅橡胶60％进行混炼，放入模具后置于硫化机中硫化，硫化温度为120℃，高压蒸汽灭菌后得到的皮下植入材料。
效果例1本发明的皮下植入材料细胞毒性测试
测试材料为：骨接触层与中间连接层复合制件(称为打印件组)、硅胶组。
将测试材料分别研磨成粉末，以0.2g/ml的浸提比加入完全培养基中，用15ml离心管分别装好密封，置于37℃恒温孵育箱浸提72h，最吸取上清液，0.22μm过滤器过滤，封装好置于冰箱备用，设置空白对照组。
细胞毒性检测在96孔板上完成。将小鼠成纤维细胞以1x104个/孔的标准种到96孔板中并在每孔中加入完全培养基培养。培育24小时后，将每孔的完全培养基吸出，加入不同的浸提液，浸提液培养1d、3d和5d后，向每个孔加入20μl MTT溶液，置于37℃培养箱中继续孵育4h，之后吸掉孔内培养液，加入150μl二甲亚砜溶液。随后使用酶标仪检测各孔在波长490nm处的吸光度值(OD)。
细胞毒性结果如图4所示，打印件和硅胶组的OD值随时间推移，差异并不大，但都略低于空白对照组，没有表现出明显的细胞毒性；培养五天后的打印件和硅胶组的相对细胞增值率均在80％以上，在培养过程中可以保证细胞的正常生存。用显微镜观察浸提液培养24h后的细胞形态结果打印件、硅胶组细胞附着在96孔板底部，并形成梭形或多边形，没有发生细胞溶解、增殖下降的情况。
效果例2本发明的兔鼻部植入实验性能测试
取40只新西兰大白兔随机分成8组，每组5只，将实施例1-6，对比实施例1-2制备的皮下植入材料植入兔子体内，检验是否会引起排异、炎症等不良反应，术后8周记录移植部位有无发生植入材料移位，并对移植部位进行CT扫描，观察植入物四周是否产生骨愈合。实验结果如下表所示：
表1皮下植入材料骨愈合性能结果
Figure BDA0003704093140000101
从上表统计结果可以看出，通过本发明提供的方法制备得到的皮下植入材料(实施例1-6)不会引起排斥和炎症反应，说明本发明制备的植入材料没有毒性物质残留，生物相容性好。此外，就植入材料植入动物体内的稳定性以及骨愈合性能方面的比较，实施例2-4制备的植入材料稳定性较好。
实施例1中中间连接层通孔孔径小，仅有0.5mm，不利于硅胶液体充分的流入中间连接层的通孔内，导致中间连接层与硅胶层的连接强度较弱，使得植入体在植入后发生移位，影响植入效果。
相比较而言，实施例2-5中中间连接层通孔孔径在0.8mm-1.5mm之间，硅胶液体能流入中间连接层的通孔起到固定作用，骨接触层通孔孔径为0.2-0.5mm，骨组织能很好的向骨接触层通孔中生长形成骨性愈合。根据CT结果可以看出，实施例3-5制备的皮下植入材料骨连接效果最好，说明当骨接触层通孔孔径为0.3-0.5mm时，最有利于骨组织向骨接触层通孔中生长。
实施例6中骨接触层通孔孔径为1mm，中间连接层通孔孔径为2mm，虽然硅胶能很好的流入中间连接层，但是由于骨接触层孔径较大，不利于骨组织向骨接触层通孔中生长和血管的生成，影响愈合效果。
对比例1是没有中间连接层的植入材料，由于硅胶难以浸入低孔径的骨接触层，所以硅胶层与骨接触层的连接性很差，将植入材料植入后很容易发生层间滑移。
对比例2是将羟基磷灰石与硅胶进行混炼后制备得到的植入体，由于硅胶将羟基磷灰石包覆，且羟基磷灰石没有经过烧结，生物活性低，并且力学强度差，所以对比例2制备的植入体骨愈合效果很差，难以与宿主骨发生骨性愈合，容易发生植入体移位。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (10)

1.一种皮下植入材料，其特征在于，所述皮下植入材料包括三层结构：即用于与骨面接触的骨接触层，对侧远离骨面的皮接触层，以及具有连接骨接触层和皮接触层的中间连接层；所述骨接触层和中间连接层上设置有通孔，骨接触层孔径为0.2-1mm、孔隙率50-80％，厚度1.5-2mm，中间连接层孔径为0.5-2mm、孔隙率35-50％，厚度2-3mm，皮接触层厚度为5-10mm。
2.根据权利要求1所述的皮下植入材料，其特征在于，骨接触层孔径为0.2-0.5mm、孔隙率60-70％，中间连接层孔径为0.8-1.5mm、孔隙率35-45％。
3.根据权利要求2所述的皮下植入材料，其特征在于，骨接触层孔径为0.3-0.5mm，中间连接层孔径为1-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的皮下植入材料，其特征在于，所述骨接触层和中间连接层由骨性愈合材料形成，所述骨性愈合材料包括能够与骨形成骨性结合的材料，如羟基磷灰石，磷酸三钙、双相磷酸钙，所述双相磷酸钙是由羟基磷灰石与磷酸三钙按照质量比(2-3):(7-8)混合制备得到。
5.根据权利要求1所述的皮下植入材料，其特征在于，所述皮接触层由软性高分子材料形成，所述软性高分子材料选自硅胶。
6.根据权利要求4或5所述的皮下植入材料，其特征在于，所述骨性愈合材料为双相磷酸钙，所述双相磷酸钙由羟基磷灰石与磷酸三钙按照质量比3:7或者2:8混合制备得到。
7.一种权利要求1所述的皮下植入材料的制备方法，所述方法包括如下制备步骤：
(1)将骨性愈合材料与光敏树脂按照质量比为2:2.5-3的混合物作为浆料，利用3D打印技术制备得到骨接触层；使用相同浆料在骨接触层之上继续进行3D打印中间连接层，得到骨接触层与中间连接层复合制件；
(2)清除复合制件上多余浆料后将其进行烧结；
(3)将液体硅胶A组分和B组分按照1:1质量比混合均匀，注入模具中，液面厚度5-10mm，在110-120℃下加热4-5min固化；然后在固化的硅胶层上面继续加入上述液体硅胶A组分和B组分，厚度2-3mm；再将步骤(1)中烧结后的复合制件中间连接层一面浸入硅胶，在110-120℃下继续加热25-30min，硅胶固化后制备得到最终所需的皮下植入材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)烧结过程中温度-时间控制条件如下表所示。
温度(℃) 升温速率(℃/h) 时间(min) 20-150 60 130 150 保温 30 150-450 12 1500 450-900 60 550 900 保温 120 900-1150 50 300 1150 保温 120 1150-室温 自然冷却 -
9.一种权利要求1所述的皮下植入材料在制备鼻植入体、颧骨植入体、颌骨植入体中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述鼻植入体包括鼻背、鼻尖、鼻小柱植入体。
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