專利名稱：人造金屬海綿骨及其制造方法
人造金屬海綿骨及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠和宿主真骨快速徹底結合的骨植入材 料及其制造方法。背景技術：
骨骼損傷是人們生活中最常見的住院病種之一，中國每年僅
髖部骨折的患者就有約ioo萬人，在很多情況下骨骼損傷已經成
為患者，尤其是老年患者，致殘致死的主要原因。常見的骨科手 術有骨折內外固定，關節置換，脊柱矯正，手外傷，骨質疏松， 骨腫瘤治療等。在這些手術中都大量需要植入骨骼替代材料用來 達到固定相關的被植入的醫療器械，替換病變的骨質等治療目 的。
現有的各種骨植入材料主要有生物類材料、生物陶瓷類材 料、合金材料以及聚合物類材料。生物類材料主要指同種異體骨 和異體異種骨。兩者都存在免疫原性和傳播疾病隱患的問題。同 種異體骨來源有限，而異種骨材料疏松易碎，機械強度差。這些 都限制了生物類材料的應用。生物陶瓷類材料由于脆性較大和很 快被吸收仍不盡人意。合金材料包括鈦合金不具有空隙，和宿主 真骨的結合性差，不利于植入體的穩定。現有的表面處理技術不 能有效的改善合金材料的這個弱點。聚合物類材料有細胞吸附力 較弱，可引起無菌性炎癥，機械強度不足等缺陷。
中國專利文獻公布了一種"多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法"(申請號200410049229.0)，該發明是有關于一種多孔隙 陶瓷骨骼填充材料的制造方法,其步驟大致包括(a)提供一動物的 海綿骨；(b)將該海綿骨經加熱處理以去除有機質；(c)將該經去 除有機質的海綿骨浸泡于磷酸鹽水溶液中；以及(d)經干燥后，以 600-900。C高溫燒結，而得多孔隙陶瓷骨骼填充材料。依本發明 的制造方法，可以產制e -TCP/DCP兩相或DCP單相多孔隙陶瓷 骨骼填充材料，此一多孔隙陶瓷材料適合做為骨缺陷的填充材 料。

發明內容
本發明的目的是提供一種生物兼容的骨植入新材料。是一種 能夠快速和宿主真骨結合的骨植入材料，稱為人造海綿骨。
本發明采用的技術方案是首先制作具有高度互聯通性的三 維多空結構。可采用的技術有靜電紡，包括3—D打印在內的快 速成型(rapid prototyping)技術，把與生物兼容的高分子化合物構
筑成具有多微孔的三維立體結構。另一種技術可采用化學合成技 術，包括熱解反應，把可樹脂化的糠醇(furfuryl alchohol)加工成 具有多微孔網狀碳纖維泡沫。這兩種技術都能制造空隙率高達 90%以上，空隙大小小于l毫米的，并且空隙高度互聯的三維支 架。
在得到了支架材料之后，可以通過化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)技術在支架表面噴涂一層生物兼容的薄 層。薄層的材料可采用惰性金屬，包括鉭、鈮、鈦及其鉭合金、鈮合金、鈦合金。金屬涂層技術還包括熔融態電鍍，真空離子濺
射(Cold Sputtering),熱熔蒸氣沉積(Thermal Evaporation)。采用 的包括鈦、鉭、鈮金屬材料已經由藥監部門批準可用于人體植入, 并且已被證明具有很好的生物兼容性，植入人體后不會弓I起排斥 反應或毒副作用。
研究已經證明骨植入材料的孔隙互聯性是決定骨植入材料 能否和宿主真骨成功結合的決定性因素。高度互聯的微孔結構有 利于周圍骨細胞的迅速爬入到整個骨植入體，而不和周圍空隙充 分互聯的所謂"死胡同"則不利于骨細胞全面占據骨植入體，不 利于骨植入體和宿主骨的結合。骨植入材料的孔隙大小也非常重 要，孔隙過小將阻礙骨細胞的爬入生長，空隙過大則不能給骨細 胞提供類似于真骨的三維立體環境，不利于骨細胞生長及制造骨 礦物質。適當的空隙(150微米以上)能有促進毛細血管的長入 和骨質的生長。
本發明由于采用了可控技術來制造三維支架，并在支架上噴 涂薄層的技術，本發明的孔隙互聯性可以達到100%，孔隙的大 小也可以通過調節支架孔隙的大小或是調節支架表面涂層的厚 度來輕易的改變。人體骨骼不同部位松質骨的結構和孔隙大小是 不同的，當植入骨材料的空隙大小和人體松質骨的孔隙大小近似 時，更加有利于植入骨和松質骨的融合。本發明材料的孔隙大小 可以通過調整生產工藝而改變。這個特性非常有利于根據植入部 位松質骨的空隙大小來制造具有近似空隙大小的個性化的骨植入材料，以適應不同骨骼部位的植入。
在很多醫療用植入體(例如人造關節假體，義齒的固定牙根) 的使用中，植入體和周圍的骨質快速充分的結合以固定植入體是
手術成功的關鍵。現有的技術多通過等離子噴涂(plasma spray), 微觀燒結(microscopic sinterlng)等方法在植入體表面制造一層微 觀不平整涂層，用來達到增加表面摩擦系數，提高和骨質結合強 度的目的。然而這些表面處理技術制造的微觀結構不具備孔單元 高度互聯，高度規則的性質，也不是真正的三維的立體構造，而 是更近似于一個二維平面。所述發明的多孔結構是孔單元高度互 聯，高度規則的三維立體構造。孔單元的高度互聯性和三維立體 性是決定人造骨質和真骨融合程度的主要因素，因此在醫療中植 入體如果使用本發明材料，將加快并加強這類植入體的固定，加 快病人手術后的恢復過程，減少因為植入體不穩定而造成的手術 失敗。
一個對骨植入體的重要要求是必須避免受力集中于植入體， 造成植入體周圍宿主真骨不在承受原有的壓力的現象，即所謂的 的應力屏蔽效應(stress shielding)。應力屏蔽效應會造成原有真骨 骨質流失，導致骨質疏松。和其他金屬實體骨植入體不同的是， 本發明材料的多空結構在支架表面有一層完整的三維涂層。這層 涂層能夠作為一個有機的整體來承受外來的壓力，并能夠將外力 均勻的分布到整個多孔結構的各個部分。因此以本發明材料所制 成的骨植入體雖然會具有較人體松質略高的力學強度，但是卻能把植入體所受外力均勻的分散到骨植入體的周圍的宿主原有骨
骼以及在植入體內的新生骨，從而避免了應力屏蔽效應的產生， 達到既能保持周遭原有骨骼的健康，又能同時通過均勻分配到植 入體內的外力促進新生骨的生長的作用。
優良的骨植入材料應當同時具有接近于人體松質骨的力學
強度和柔量。現在常用的骨替代材料包括生物玻璃(bioglass)，生 物陶瓷，高分子等材料。生物玻璃雖然具有較好的抗壓性，但是 其彎曲強度較弱，易折斷。而陶瓷材料雖然力學強度高但是容 易碎裂。高分子材料則一般不具有足夠的力學強度。本發明當采 用惰性金屬作為涂層材料時則較以上材料有很大優勢。金屬同時 具備了較高的力學強度和優良的韌性。當以鈦，鉭，鈮或其合金 作為表面涂層材料時，所述發明也繼承的金屬力學強度高，延展 性好，不易碎裂的品質，是優良的骨替代材料。
一個骨植入體能否和宿主真骨充分結合的關鍵點還在于植 入材料能夠被準確加工成植入創口的幾何形狀，從而達到植入體 和周圍人體真骨緊密相接的效果，以便于真骨中的骨細胞爬入植 入體沉積骨礦質。本發明材料采用惰性金屬涂層時，由于同時具 備了較高的力學強度和優良的韌性因此非常利于機械加工。所述 發明材料可以被加工成為各類的復雜幾何形狀而不會碎裂。因此 利用本發明材料加工而成的骨植入體可以很好的吻合植入創口 的形狀，達到植入體和宿主真骨充分接觸的效果。同時由于其良 好的機械加工性，本發明材料是用于制造關節假體，植入式牙根，脊椎固定器，骨釘等骨科牙科產品的理想材料。

圖l. A)本發明材料具有高度互聯的多孔碳纖維結構的整體外觀，B)單個互聯單元的具體構像，孔徑的大小可以根據需要調節。C)金屬泡沫材料示意圖，
圖2. (A)組織工程人造軟骨被固定于由本發明材料制作的基質上的示意圖；(B)植入狗膝關節示意圖；(C)植入關節X光圖像；(D)組織切片顯示宿主真骨與本發明材料制作的基質融合示意圖。
具體實施方式
實施例l本發明材料的結構
1 、將糠醇同過熱解反應(pyrolize)形成多孔網狀碳纖維泡沫
狀聚合物，做為金屬海綿的結構支架，并大致確定其孔徑人小。
2、 利用化學氣相沉積(CVD)對上述支架進行滲透金屬涂層，涂層材料包括鉭、鈦、鈮具有良好生物相容性的金屬。根據涂層的厚度可以進一步調整單位元孔徑的人小。
3、 根據不同的要求將金屬海綿加工成不同的人工關節假體或其他骨骼修復成品。
本發明材料的微觀結構如圖1 A-C所示。這種高度的可控制的多孔結構十分有利于骨細胞的生長。如圖2B所示，每一個結構單元構成大小一定的中空的多面體，其大小大致在250-500微米，構成并連接這些結構單元的柱狀體大致在100微米左右，以此來仿生天然人體松質骨的結構。如圖2C所示，本發明的結構支柱由兩層材料組成，內芯為碳纖維聚合物，外面涂層惰性金屬鉭，以提供良好的生物相容性，和適當的硬度和強度。同時，通過調整金屬層的厚度還可以進一步控制結構單元孔徑的大小。實施例2利用本發明材料制造的基質用于軟骨修復
1、 加工海綿骨材質成型為直徑4毫米，厚度約3毫米的圓柱體基質。使用70%酒精浸泡基質約30分鐘，再用無菌PBS溶液浸泡5分鐘。在無菌環境下吹干基質，備用。
2、 用膠原酶分解組織分離軟骨細胞，將載有軟骨細胞的瓊脂糖水凝膠體與金屬海綿骨基質融合，自然冷卻瓊脂糖水凝膠體至室溫使其成型為組織工程軟骨植入體并被固定在基質之上(圖2A)。
3、 取斗牛犬，2年齡，體重20-25千克。在其膝關節滑車溝處鉆直徑4毫米深約5毫米的缺孔。組織工程軟骨被固定于由本發明材料制作的基質上然后植入與膝關節軟骨局部缺損部位(圖2B)。
4、 縫合創口， x光掃描證實植入體基質保持于植入位置(圖
2C)。
5、 經過6周動物體內實驗，組織工程軟骨內軟骨細胞95%成活，基質70%的孔隙被宿主真骨填充，剪切固定強度達到19MPa以上，起到了穩固人造軟骨的目的(圖2D)。
權利要求
1、一種人造金屬海綿骨，其特征在于，它包括能與生物兼容的高分子化合物，另可樹脂化的糠醇構筑成具有高度互聯通性的三維多空結構支架，該支架表面有與生物兼容的金屬薄層。
2、 一種人造金屬海綿骨的制造方法，其特征在于，所述的 與生物兼容的高分子化合物，是通過靜電紡，包括3—D打印在內 的快速成型技術制成三維多空結構支架，支架表面噴涂與生物兼 容的金屬薄層。
3、 一種人造金屬海綿骨的制造方法，其特征在于，所述的 可樹脂化的糠醇是通過熱解反應加工成具有多微孔網狀炭纖維 泡沬技術制成三維多空結構支架，支架表面噴涂與生物兼容的金 屬薄層。
4、 根據權利要求2或3所述的人造金屬海綿骨的制造方法， 其特征在于，所述的在支架表面是通過化學氣相沉積技術熔融態 電鍍，真空離子濺射，熱熔蒸氣沉積，在支架表面噴涂一層與生 物兼容的金屬薄層。
5、 根據權利要求2或3所述的人造金屬海綿骨的制造方法， 其特征在于，所述的薄層材料可采用惰性金屬，包括鉭、鈮、鈦、 鉭合金、鈮合金、鈦合金。
全文摘要
本發明涉及人造金屬海綿骨及其制造方法，它包括與生物兼容的高分子化合物，另可樹脂化的糠醇構筑成具有高度互聯通性的三維多空結構支架，該支架表面有與生物兼容的金屬薄層。具有接近于人體松質骨的力學強度和柔量。本發明的優點是該人造金屬海綿骨具有很好的生物兼容性，植入人體后不會引起排斥反應或毒副作用。
文檔編號A61L27/30GK101474425SQ200910020890
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月13日 優先權日2009年1月13日
發明者鵬 史, 邊黎明 申請人:邊黎明;史 鵬