CN202086620U - 一种具有生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器 - Google Patents

一种具有生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器 Download PDF

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Abstract

一种具有生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器，该生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器的外周部具有规则孔隙，平均孔径300-400μm，孔隙率40-50％；中央部具有骨小梁样不规则孔隙，平均孔径400-1000μm，孔隙率60-80％，且在外周部及中央部的孔隙中附着有rhBMP-2/明胶微球。本实用新型制备的椎间融合器具有与自然骨组织相近的弹性模量，多孔结构及其内部生物活性因子缓释系统能诱导新生骨组织长入，解决了骨-材料界面结合问题，具有比致密材料更好的力学相容性与骨整合能力。

Description

一种具有生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器
技术领域
本实用新型属于脊柱融合内固定领域，具体涉及一种具有生物活性的多孔钛合金人颈椎间融合器。
背景技术
颈椎退行性滑脱、椎间节段性不稳和椎间盘源性疾病等是常见的脊柱外科疾病，严重影响患者的生活和工作，对非手术治疗无效者一般都需进行颈椎固定融合术。椎间融合手术已被公认对于这类疾病有较好疗效。椎间融合常采用的材料主要有两类：①植骨材料，包括自体骨块与异体骨块移植；②替代材料，即椎间融合器(Interbody Fusion Cage)。
既往椎间融合常采用单纯自体骨块移植，但自体取骨区并发症高达10％-20％，包括取骨区残留疼痛、感染、感觉障碍等。异体骨块移植虽然避免了取骨区并发症，但存在免疫排斥反应、感染艾滋病病毒、价格昂贵、异体骨被取代慢，新生骨体积小等不足，临床应用受到限制。(Lelze EM，HemmerleJ，Vo egel JC，etal.Characterization and histological analyses of a coral-co llagencomposite used for bone-replacement graft material：a report of c linical cases.JMater Sci Mater Med.1999：10(1)：47-51.)
为克服采用单纯植骨材料进行椎间融合的不足，目前临床主要使用颈椎间融合器进行颈椎间融合，主要包括：钛合金椎间融合器(TitaniumAlloys-Cage)、聚醚醚酮椎间融合器(Polly Ether Ether Ketone-Cage，PEEK-Cage)、聚D，L-乳酸椎间融合器(Poly-(D，L-Lactide)-Cage，PDLLA-Cage)。与单纯植骨材料相比，椎间融合器可以有效地减少术中及术后并发症、减少患者术后疼痛以及加快患者术后功能恢复。
但是传统的椎间融合器仍存在一定的局限性：①钛合金椎间融合器主要采用Ti6Al4V制作，虽然强度高，但弹性模量(110GPa)远远高于天然骨(皮质骨约3-12GPa)，存在金属-骨的界面问题，会产生应力屏蔽，导致骨吸收而发生植入体松动。②PEEK-Cage弹性模量与椎体皮质骨接近，避免了应力屏蔽，但它与钛合金都属于生物惰性材料，骨组织只能贴附在材料表面而无法进入其内部达到良好的骨整合，导致骨-材料界面结合强度不足，容易发生松动。PEEK-Cage的表面改性(如在表面喷涂钛丝、羟基磷灰石(HA)，利用涂层的微孔样结构诱导骨组织长入)虽然在一定程度上解决了骨-材料界面结合强度不足的问题，但表面涂层在生理环境加上负荷作用下，还是可能被机体吸收或是由于应力集中，沿多孔表层与底材的界面产生裂纹，引起脱落。③PDLLA-Cage具有与骨质相近的弹性模量，可降解为能被人体吸收的产物，从而逐渐被吸收并被周围骨组织替代，具有良好的生物活性，不存在骨-材料界面问题。但其机械强度较低，材料本身的内在脆性导致其在手术操作中易于碎裂。并且其早期大分子降解产物可引起材料周围纤维组织增生，一定程度延缓了早期成骨。
综上所述，一种理想的椎间融合器应具备以下特点：1)具有良好的生物相容性；2)具有足够的力学强度及抗疲劳能力；3)具有合适的弹性模量，利于骨-材料界面力学传导；4)具有一定的骨生长诱导性等。为了达到以上要求，多孔钛合金材料及其生物改性成为了研究的焦点。多孔钛合金既具有足够的机械强度，又具有多孔状结构，可以通过控制孔隙率、孔径大小、孔的形状及分布等多种参数，有效降低钛合金的弹性模量，实现与自然骨的弹性模量相匹配。在孔隙中添加生物活性因子，如骨形态发生蛋白(BMP)等可以诱导骨组织长入孔隙，增强多孔钛合金植入物的机械锁固，从而获得更好的长期固定效果，因此多孔钛合金是理想的制备椎间融合器材料。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种具有足够支撑强度以维持椎间隙高度及椎体稳定性，又可以通过其内部生物活性因子缓释系统的诱导成骨作用刺激新骨生长，从而达到良好的骨整合，促进椎体间骨性融合的具有生物活性的多孔钛合金人颈椎间融合器。
为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：该生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器的外周部具有规则孔隙，平均孔径300-400μm，孔隙率40-50％；中央部具有骨小梁样不规则孔隙，平均孔径400-1000μm，孔隙率60-80％，且在外周部及中央部的孔隙中附着有rhBMP-2/明胶微球。
本实用新型的椎间融合器具有与自然骨组织相近的弹性模量，多孔结构允许体液的传输及新生骨组织长入，解决了骨-材料界面结合问题，具有比致密材料更好的力学相容性与骨整合能力。其外周部的小孔径设计使其具有更高的强度，规则多孔结构受力均匀，可以减少材料脆性，便于手术操作。中央部具有接近于骨小梁组织的不规则孔结构，并且具有更大的孔径及孔隙率，提供了更多的骨长入空间，利于营养物质进入及代谢废物排除。rhBMP-2明胶微球缓释系统通过扩散、载体的逐步分解或溶解实现可控、稳定的释药，从而能发挥持续的骨诱导作用，促进早期骨整合及椎体间骨性融合，达到椎体间的长期稳定。此外，由于载药明胶微球将主要分布在孔隙较大的中央部，使得骨诱导作用主要发生在椎间融合器内部，可以防止融合器周围骨组织过度生长压迫椎体周围重要结构。
附图说明
图1为本实用新型实施例的俯视图；
图2为图1的侧面剖视图；
图3为图1的前视图；
图4为复合rhBMP-2明胶微球后示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
1)多孔钛合金椎间融合器制备
首先按所需制备的多孔钛合金人颈椎间融合器的设计要求将模型数据输入电子束熔融设备中，并在电子束熔融设备中加入钛合金Ti6Al4V粉末，在600-800℃以20-40mA的电子束流，以10000-18000mm/s的扫描速度预热钛合金粉末，然后以5-7mA的电子束流，300-500mm/s的扫描速度逐层熔化钛合金粉末，制备出与所需多孔钛合金人颈椎间融合器形状一致的多孔钛合金人椎间融合器；
本实施例为如图1，图2，图3所示的楔形椎间融合器，规格为：长(L)：16mm，宽(W)：13mm，高(H)：5/6/7/8mm，楔形角度(a所示角度)：17°。其横截面近似于椎体截面，楔形设计便于术中将其植入椎间隙中。上表面为3-4°(b所示角度)的斜面，以利于维持颈椎生理弯曲。前部有2个直径为3mm，深度为5mm的小孔3，用于夹持椎间融合器，孔间距(d)为8mm。外周部1厚度(D)为2mm，具有规则孔隙，平均孔径300-400μm，孔隙率40-50％；中央部2具有骨小梁样不规则孔隙，平均孔径400-1000μm，孔隙率60-80％。
2)生物活性因子缓释系统构建
2.1 载有重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)的明胶微球的制备
2.1.1 明胶微球的制备
将药用明胶溶于40-60℃的双蒸水中超声离散得质量浓度为5％-15％的明胶溶液，在40-60℃将明胶溶液与液体石蜡按1∶5的体积比例混合，同时加入明胶溶液与石蜡混合液总体积2％的乳化剂Span-80搅拌均匀制成混悬液，将混悬液迅速降温到0℃并继续搅拌20分钟，在搅拌下向混悬液中按每1g明胶加入3-6ml质量浓度为1％的京尼平预固化1小时后停止搅拌，反复用丙酮脱水，用无水乙醚彻底洗掉石蜡后真空泵抽干，然后再按每1g明胶加入3-6ml质量浓度为1％的京尼平室温避光静置固化24小时，用无水乙醇彻底清洗残留京尼平后室温下真空干燥过筛，60Co照射灭菌后得明胶微球；
2.1.2 明胶微球加载rhBMP-2
首先利用PBS(PH＝6.0)配制100-300ng/ml的rhBMP-2溶液，按照100μl rhBMP-2每1.0mg明胶微球干粉的比例，将明胶微球干粉浸泡于rhBMP-2溶液中，37℃摇床孵育，过夜，PBS冲洗，2500rmp离心10分钟，清洗明胶微球2遍，收集rhBMP-2明胶微球，负压冻干，60Co照射灭菌后密封避光-80℃保存；
2.2.rhBMP-2/明胶微球与多孔钛合金内部孔隙的结合
2.2.1 多孔钛合金的明胶涂层修饰
在50℃的双蒸水中配制质量浓度为5-10％的明胶溶液A，将多孔钛合金人椎间融合器先超声清洗后浸入0.5mol/L的NaOH溶液中，PBS清洗3遍，然后浸入明胶溶液A中在负压下处理10分钟，浸泡30分钟后，取出材料后置于50℃的烤箱内烤干；
2.2.2 rhBMP-2/明胶微球与明胶修饰后的多孔钛合金内部孔隙结合将rhBMP-2明胶微球与无水乙醇按照30mg/ml配制无水乙醇悬浊液B，超声下离散2小时，将明胶涂层修饰后的多孔钛合金人椎间融合器浸入悬浊液B中24小时，在-93.3kPa负压下，抽真空冻干。60Co照射灭菌得到内部含有rhBMP-2缓释系统的多孔钛合金人椎间融合器。多孔结构复合rhBMP-2明胶微球后示意图见图4。
本实用新型多孔钛合金融合器的生物活性因子缓释系统采用明胶微球缓释技术建立的重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)缓释系统。先通过改进的乳化冷凝法使明胶形成直径10-30μm左右的微小球状结构，并使rhBMP-2分散在明胶微球内部，构建载药明胶微球。再采用弥散法将载有rhBMP-2的明胶微球与植入材料复合，使明胶微球贴附于材料孔隙之中，构建rhBMP-2缓释系统。载药明胶微球在多孔材料中的分布与材料孔径和孔隙率有关，材料孔径与孔隙率越大复合率越高，因此明胶微球将主要分布于椎间融合器的中央部。明胶是骨组织的主要有机成分——胶原的水解产物，它可从动物胶原经水解提炼获得，廉价易得、无抗原性、摩擦系数低、可生物降解，使用安全有效。rhBMP-2则具有较强的诱导成骨作用，已在临床获得应用，它可以明显的促进未成熟的成骨细胞以及骨前体细胞(MSC)向成熟的骨细胞转变，具有很强的异位、原位成骨能力。金属复合rhBMP-2，无论在体外对于成骨细胞的生长，还是在体内对于新生骨组织的形成，均具有明显的骨诱导作用。(Herford AS.rhBMP-2 as an option for reconstructing mandibular continuitydefects.J Oral Maxillofac Surg.2009 Dec；67(12)：2679-84.)

Claims (1)

1.一种具有生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器，其特征在于：该生物活性多孔钛合金人颈椎间融合器的外周部(1)具有规则孔隙，平均孔径300-400μm，孔隙率40-50％；中央部(2)具有骨小梁样不规则孔隙，平均孔径400-1000μm，孔隙率60-80％，且在外周部(1)及中央部(2)的孔隙中附着有rhBMP-2/明胶微球。
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