CN1618473A

CN1618473A - 人工生物假体及其制备方法

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Publication number: CN1618473A
Application number: CN 200310115380
Authority: CN
Inventors: 王岩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: CN1325124C

Abstract

本发明涉及一种含骨形态发生蛋白(BMP)的人工生物假体，具体是将BMP经假体表面多个微孔覆膜渗入假体内部的人工假体。本发明还涉及上述人工生物假体的制备方法。本发明在假体材料的表面覆盖一层带有多个微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆盖一层骨形态发生蛋白(BMP)。

Description

人工生物假体及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种含骨形态发生蛋白(BMP)的人工生物假体，具体是将BMP经假体表面多个微孔覆膜渗入假体内部的人工假体。本发明还涉及上述人工生物假体的制备方法。

背景技术

人工假体置换术是治疗骨关节严重病变的终极治疗手段，它使过去只能依赖拐杖行走，甚至只能截肢的患者，能够象正常人一样行走。但是，现有技术的人工假体存在关节易磨损、假体无菌性松动和进行性骨溶解等现象。

为解决上述问题，许多人对人工关节进行了多种改进，通过植入体和周围组织间建立相互配合来实现假体的固定，特别是发明了生物固定型人工关节，如中国专利98125674.0在人工关节上喷涂一层羟基磷灰石，然后在羟基磷灰石表面再涂敷一层骨形态发生蛋白(BMP)，以解决生理固定问题。但此方法中，BMP难以渗入人工关节假体内部，不能有效诱导骨生成。中国专利00107241.2在假体中设置中空的腔体，在空腔体内填充骨形态发生蛋白-载体复合物，以实现假体生物性一体化。但中空假体将影响假体的强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的人工生物假体，使骨形态发生蛋白与假体更为有效结合，有利于诱导骨生成，且不影响假体的强度。

本发明要解决的技术问题是将骨形态发生蛋白(BMP)经假体表面渗入到假体内部，以制备出新型的人工生物假体材料。

本发明的技术方案如下：

所述的人工生物假体是：在假体材料的表面覆盖一层带有多个微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆盖一层骨形态发生蛋白(BMP)。以使BMP通过微孔与假体材料更为有效地相结合，促进骨组织长入假体的微孔中。

所述假体材料是钛合金、钴基合金、PMMA、超高分子聚乙烯、多孔材料，如Ti-6Al-4V合金，Ti-6Al-7Nb合金，铸造Co-Cr-Mo合金等为人工假体材料，以及本领域技术人员熟知的其它各种假体材料；

所述微孔覆膜是羟基磷灰石(HA)、金属多孔涂层和复合涂层；其中金属多孔涂层包括由真空钎焊工艺获得的金属珠多孔涂层、金属丝织构涂层，以及采用等离子喷涂工艺制造的金属粉末多孔涂层；还包括Ducheyne等于1980年提出的在多孔表面上使用活性生物陶瓷涂层等本领域公知的技术方法。

当上述覆膜是羟基磷灰石时，所述微孔的孔径为240～500μm；厚度为30-110μm，颗粒度0.3～0.9mm。

所述骨形态发生蛋白(BMP)包括各种来源获得的BMP，如通过分子生物学技术(如转基因方法)获得的重组BMP-2；

本发明所指的人工假体包括各种人工关节，如：髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节和腕关节等。

本发明所述人工生物假体的制备方法是；在假体材料的表面覆盖一层带有多个微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆盖一层骨形态发生蛋白(BMP)。

所述假体材料的表面覆盖微孔覆膜的方法包括等离子喷涂、离子束溅射沉积、电泳沉积、烧结等工艺，以及本领域技术人员熟知的其它各种方法。

所述微孔覆膜的表面覆盖骨形态发生蛋白(BMP)的方法是：将BMP溶于适当溶剂中，然后将前述覆盖有多个微孔覆膜的假体材料浸入该溶液中，经沉积使BMP透过多个微孔沉积于假体材料中，然后除去溶液中杂质，消毒而成。

上述适当溶剂包括盐酸胍水溶液、CuHCl/CaCl₂混合水溶液等；

上述除去溶液中杂质方法是用蒸馏水透析、抽真空，然后低温下冻干；上述消毒方法是用环氧乙烷直接消毒，或真空包装后用钴60照射消毒。

本发明进行了如下实验：在多孔金属表面植入体(PCA)与复合rhBMP₂(基因重组BMP)的PCA植入体、HA涂层植入体及PCA表面喷涂HA植入体植入犬皮质骨，并综合运用X线摄片、软X线照相、不脱钙骨组织磨片、荧光显微镜检查、骨组织计量学分析及生物力学测定等方法对骨-植入体界面的骨长入及界面的结合强度进行了比较分析。结果显示：复合rhBMP₂的植入体在4周时新生骨形成率和界面剪切强度均明显优于其它各组，统计学分析显示复合rhBMP₂组与其它各组间存在非常显著差异。证明本发明的技术在促进早期骨-假体界面的骨长入和结合强度方面优于其它各种方法，有利于早期骨与假体间的结合和固定。使假体在植入人体时与组织的相容性更好，促进骨组织长入假体的微孔中，避免假体无菌性松动和进行性骨溶解现象，减少人工关节的磨损。

具体实施方式

实施例1 Ti-6Al-4V合金人工髋生物假体

1)在Ti-6Al-4V合金人工髋关节表面喷涂一层颗粒度为0.3～0.5mm的羟基磷灰石，羟基磷灰石厚度为30μm呈多孔状，其孔径为240～350μm。

2)将20mg BMP溶于4mol/L盐酸胍溶液中。

3)在上述盐酸胍溶液中放入1)中所述喷涂羟基磷灰石的人工关节，经4℃，12h沉积、蒸馏水透析48h、抽真空、置-30℃冻干、环氧乙烷消毒后备用。

实施例2 Ti-6Al-7Nb合金人工膝生物假体

1)在Ti-6Al-7Nb合金人工膝关节表面喷涂一层颗粒度为0.4～0.7mm的羟基磷灰石，羟基磷灰石厚度为60μm呈多孔状，其孔径为300～400μm。

2)将20mg BMP溶于4mol/LCuHCl/CaCl₂混合水溶液中。

3)在上述混合水溶液中放入1)中所述喷涂羟基磷灰石的人工关节，经4℃，12h沉积、蒸馏水透析48h、抽真空、置-30℃冻干，真空包装后，用钴60照射消毒备用。

实施例3铸造Co-Cr-Mo合金人工踝生物假体

在铸造Co-Cr-Mo合金人工踝关节表面喷涂一层颗粒度为0.6～0.9mm的羟基磷灰石，羟基磷灰石厚度为110μm呈多孔状，其孔径为350～500μm。

其余步骤同实施例1中步骤2)、3)。

实施例4重组BMP应用于人工关节生物固定动物实验

一、实验材料与方法

(一)实验材料：

1.多孔金属表面植入体(PCA)：采用钴铬钼合金圆柱形植入体，外径5mm，长度12mm。表面烧结有三层钴铬钼合金微珠，孔径为220μm，孔隙率为30％。

2.rhBMP₂复合多孔金属表面植入体(PCA+BMP)：以I型胶原为载体每只PCA植入体表面复合500微克rhBMP₂。

3.喷涂HA的PCA植入体(PCA+HA)：直径4.9mmPCA表面钴铬钼合金植入体行表面喷砂粗化后烧结法制备HA涂层，HA涂层厚度约30±10微米。

4.羟基磷灰石涂层植入体(HA)：直径4.8mm钴铬钼合金圆柱体、长度12mm，行表面喷砂粗化，然后烧结法制备HA涂层，涂层厚度约100±50微米。

多孔金属表面植入体及羟基磷灰石由京航公司制作和提供。羟基磷灰石纯度95％，Ca/P为1.67。rhBMP₂用北京百灵克生物制品公司产品，纯度95％。复合方法为将定量的rhBMP₂加入至10％I型胶原溶液充分搅拌成均匀的悬液，移液器定量滴加至植入体表面，真空冷冻干燥机中抽真空、冷冻干燥并反复数次，根据rhBMP₂浓度、体积计算表面复合的剂量直至达到500微克。

(二)实验动物：成年健康杂种犬16只，雌雄不限，体重20~25公斤；按观察周期分为4周、8周、12周、24周四个时间组每时间组4只，选取双侧股骨为种植区，每条犬的每侧股骨植入4枚植入体，分别在每侧植入4种植入体各1枚，植入位置随机排列。

(三)手术方法：无菌条件下，行股骨外侧直切口长约12cm，逐层切开皮肤及软组织，经前外侧肌间隙钝性分离，显露股骨；切开并剥离外侧骨膜，用5.3mm钻头在股骨干外侧依次钻四孔穿透单侧皮质，同时盐水冲洗降温；孔间距约1.5cm，盐水冲洗术野后将植入体插入孔中，轻叩到位，冲洗并缝合切口。

(四)检测方法：组织学观察行软X线照相、不脱钙骨组织磨片，荧光显微镜检查及计算机图像分析；生物力学采用push-out方法测定界面剪切强度。

二、实验结果

(一)摄片检查：

各时间组各种植入体在与骨组织界面及其附近均未见骨缺损、透光带和骨质密度减低现象。

(二)软X线照相：

术后四周标本复合rhBMP₂组见骨与植入体间接触良好，无明显透光带，并可见到略低于骨组织密度影向孔隙内移行。其它三组标本均可见骨与植入体之间存在透光带。术后各组植入体在八周时软X线摄片均可见骨-植入体界面间透光带变窄，骨与植入体的接触面积增加及新生骨组织向孔隙内生长。十二周、二十四周时骨-植入体界面已经被新生骨组织充填，看不到透光带。

(三)不脱钙骨组织磨片：

植入后四周见复合rhBMP₂组已有较多围绕植入体表面呈环形生长的板层骨及少量纤维组织，新生骨长入孔隙内，并可见新生血管和哈佛氏管结构；沿孔隙生长的新生骨小梁已长入到第2、3层微珠之间，部分区域为编织骨、类骨质混杂在一起。其它三组在植入体与骨组织界面的周边部位可见到有新骨形成，孔隙内仅小部分区域可见新生骨组织且未超过第2层微珠。HA组可见在骨-植入体界面新生的环形生长的板层骨，向内有呈足突状新生骨伸向植入体表面的涂层，也有部分区域形成骨组织直接附着在HA涂层表面，其它部分仍可见到纤维组织介于新生骨与涂层之间。

植入后八周、十二周及二十四周各组均可见界面新生骨组织增加，并逐渐长入植入体和HA涂层孔隙。

(四)荧光显微镜检查：

术后四周时磨片行荧光显微镜检查可见复合rhBMP₂组在骨床表面及植入体孔隙中成带状、片状分布的荧光，并可见荧光沿孔隙间的微珠表面移行，说明钙化前沿在孔隙内的微珠表面；PCA组仅见植入体表面及部分孔隙间有带状分布的荧光，说明钙化前沿在植入体表面部分；复合涂层组见沿植入体表面带状、环形分布的荧光，主要集中在骨与植入体之间界面，部分荧光贴附在涂层表面；HA组在荧光显微镜下可见环绕植入体带状分布的荧光，并可见贴附在涂层表面及呈指突状的片状荧光；八周、十二周及二十四周时各组均表现为荧光分布范围增加，孔隙内的荧光标记增多，复合涂层组增加明显，说明孔隙内的钙化的新生骨随时间增加；HA组荧光标记的范围增加，更加贴近植入体表面的涂层。

(五)骨组织计量学分析：

由于实验中采用的植入体为多孔表面，在组织学磨片中切面的形状不规则，因此采用新生骨组织所占比率来对各组植入体在骨组织长入孔隙的能力进行比较；取各植入体每时间组不脱钙骨组织磨片各6片在显微镜下观察、经计算机图像采集系统采集包含植入体在内的整体图像，并对采集后的图像通过病理图像分析系统进行分析；判断新生骨组织并计算其面积，以骨与新生骨之间界面以内的面积作为总面积，然后计算相对的新生骨形成率，并进行统计学分析。

新生骨形成率(％)＝新生骨组织面积/总面积×100％

统计学分析显示：在术后四周时BMP组与其它三组之间在新生骨形成率上有非常显著差异。其它各组之间及术后8周12周各组之间均无显著差异。

(六)生物力学测定：

MTS 858 mini Biotex生物力学测试机，设定连续行程为位移0.5mm/min。记录压力即时加载曲线，其峰值为应力屈服点；同时测量皮质骨与植入体接触的厚度(h)和植入体的直径(d)。

用以下公式计算推出实验的剪切强度：

最大剪切强度(MPa)＝最大剪切力(N)/骨与植入体接触面积(mm²)

骨与植入体的接触面积：S＝π*d*h

统计学分析显示：在术后四周时BMP组与其它三组之间在界面剪切强度上有非常显著差异。其它各组之间及术后8周、12周、24周各组之间无显著差异。

Claims

1.一种人工生物假体，其特征是在假体材料的表面覆盖一层带有多个微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆盖一层骨形态发生蛋白(BMP)。

2.权利要求1所述的人工生物假体，其特征是所述假体材料是钛合金、钴基合金、PMMA、超高分子聚乙烯、多孔材料。

3.权利要求1或2所述的人工生物假体，其特征是所述微孔覆膜是羟基磷灰石(HA)、金属多孔涂层和复合涂层。

4.权利要求3所述的人工生物假体，其特征是所述羟基磷灰石的微孔的孔径为240～500μm，厚度为30-110μm，颗粒度0.3～0.9mm。

5.权利要求1或2所述的人工生物假体，其特征是所述骨形态发生蛋白(BMP)包括通过分子生物学技术(如转基因方法)获得的重组BMP-2。

6.权利要求1或2所述的人工假体包括人工髋关节、膝关节、踝关节、肩关节、肘关节和腕关节。

7.权利要求1所述的人工生物假体的制备方法，其特征是在假体材料的表面覆盖一层带有多个微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆盖一层骨形态发生蛋白(BMP)。

8.权利要求7所述的人工生物假体的制备方法，其特征是所述微孔覆膜的表面覆盖骨形态发生蛋白(BMP)的方法是：将BMP溶于适当溶剂中，然后将前述覆盖有多个微孔覆膜的假体材料浸入该溶液中，经沉积使BMP透过多个微孔沉积于假体材料中，然后除去溶液中杂质，消毒而成。

9.权利要求7或8所述的人工生物假体的制备方法，其特征是所述假体材料的表面覆盖微孔覆膜的方法包括等离子喷涂、离子束溅射沉积、电泳沉积、烧结等工艺。

10.权利要求7或8所述的人工生物假体的制备方法，其特征是所述适当溶剂包括盐酸胍水溶液、CuHCl/CaCl₂混合水溶液；所述除去溶液中杂质方法是用蒸馏水透析、抽真空，然后低温下冻干；所述消毒方法是用环氧乙烷直接消毒，或真空包装后用钴60照射消毒。