CN101283922A - 生物活性可吸收骨内固定植入器械 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及属于生物医疗器械领域，特别适用于骨创伤外科、修复重建外科、整形美容用医疗器械领域；具体为一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，它是由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制备的骨钉、骨板医疗器械。该骨内固定植入器械为骨内固定器件，包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单独起固定作用的螺钉，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制成。本发明可以解决目前骨科内固定器件的生物活性问题，促进器件植入部位的组织愈合。同时还包括在所述内固定器件表面制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械中骨科内固定器件，属于生物医疗器械领域，特别适用于骨创伤外科、修复重建外科、整形美容用医疗器械领域；具体为一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，它是由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制备的骨钉、骨板医疗器械。
背景技术
生物活性是可增进细胞活性或新组织再生的性能，是骨植入器械中的一个重要指标。具有生物活性的骨植入器械，在植入生物体之后，可促进周围成骨细胞的增殖、分化，加快新生组织的再生，减少受损骨组织的愈合时间；同时可与周围组织形成化学键结合或称为骨结合，使得所植入器械与骨组织结合牢固，增加手术成功率。
目前临床所应用的生物活性骨内固定器件，主要为经过表面活性处理的钛合金内固定器件，其主要依靠采用不同方法所制备的生物活性羟基磷灰石而表现出生物活性。虽然目前也有通过共混、表面吸附或涂层等实现对高分子的生物活化，及采用共聚、交联、表面修饰等，通过改变聚合物大分子或表面结构赋予高分子材料生物活性，但由于其技术不稳定性，目前临床所应用可吸收高分子骨固定器件尚不具备生物活性。同时，由于生物活性陶瓷(如β-TCP)及生物活性玻璃的力学性能及可加工性能难以满足临床要求，由此两类生物活性材料所开发的骨钉、骨板尚未有临床应用。
镁是哺乳动物和人类所必需的微量元素，在人体内起到重要作用。当镁离子浓度控制在一定范围之内时，不但不会产生细胞毒性作用；相反，可以促进软骨细胞的增殖和分化，有利于软骨形成。镁合金植入体内后，表面有磷酸盐生成，在磷酸盐与骨组织间有新骨形成。随着镁合金植入时间的延长，磷酸盐层不断向新骨组织转变，这样新骨就在镁合金植入体上生长。在与钛合金植入实验的对比研究发现，镁合金植入体周围存在大量的成骨细胞及新生骨组织，而钛合金植入体周围则仅有少量的成骨细胞及新生骨组织，说明镁合金较钛合金具有更为优异的生物活性，可促进受伤骨组织的愈合，提高骨内固定器件的治疗效果。
镁合金是一种体内可吸收植入材料，与现有可吸收材料相比，具有更佳的力学性能和生物活性。与生物活性钛合金相比，镁合金具有优异的生物吸收性能；同时，钛合金价格昂贵，而我国是产镁大国，镁矿产量丰富，镁合金价格较钛合金及可降解高分子材料要低很多，所以镁合金植入器件在价格上有很大优势，可大幅度降低植入器件的价格，减少病人的经济负担。目前，还未见利用镁合金的生物活性而设计的骨内固定植入器械。
发明内容
本发明旨在解决目前骨固定用可吸收骨内固定产品生物活性低或不具备生物活性的问题，提出了一种具有生物活性的可吸收镁合金骨内固定植入器械。
本发明的技术方案是：
一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，该骨内固定植入器械为骨内固定器件，包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单独起固定作用的螺钉，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制成。
所述镁合金为：镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金或镁银系列合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
所涉及镁合金主要包括镁铝系列(除二元体系外主要包括Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE四个三元体系及其他多元体系，代表性合金如AZ31，AZ61，AM60，AM50，AE21，AS21等，其中铝重量含量要求≤10％，Zn、Mn、Si和/或RE重量含量≤5％)；镁锰系列(主要是二元Mg-0.1～2.5％Mn及添加少量稀土、钙、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如国内牌号MB1和MB8)；镁锌系列(除二元体系外主要包括Mg-Zn-Zr和Mg-Zn-Cu系列，代表性合金如ZK21、ZK60、ZC62等)；镁锆系列(主要是二元Mg-0.1～1％Zr及添加少量稀土、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如K1A等)；镁稀土系列(主要是二元Mg-0.1～5％RE及添加少量铝、锆、钙、锌等元素组成的三元系或多元系，)；镁锂系列(主要是二元Mg-1～15％Li及添加少量铝、稀土、锌和硅等元素组成的三元系或多元系，代表合金如LA91、LAZ933等)；镁钙系列(主要是二元Mg-0.1～10％Ca及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系)；镁银系列(主要是二元Mg-0.1～12％Ag及添加少量稀土、锆、锌等元素组成的三元系或多元系，代表合金如QE22等)等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系和多元系镁合金。
本发明中，骨内固定器件包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针以或单独起固定作用的螺钉。
本发明中，内固定接骨板装置将接骨板置于骨表面，通过螺钉将骨折断端相连接，达到骨折复位、固定，从而促进愈合的目的。根据不同骨折部位和需要，包括加压骨板(主要用于长骨干骨折)、重建骨板(用于骨盆、肱骨远端、锁骨或外踝骨折等)、特殊部位骨板(有股骨踝支持骨板、胫骨平台外侧或远端内外侧支持骨板、跟骨及趾(指)骨接骨板、颅骨缺损修复骨板、颌面部接骨板或缺损修复骨板)或特殊形状骨板(S形、直形、弧形、L形、T形、Y形、三叶形、X形、工字形骨板或其他特殊需要的异形接骨板)。
本发明中，髓内钉是用于植入骨的远端和近端髓腔内，达到骨折断端的连接、复位与固定，包括单根钉、多根钉、坚强髓内钉或可屈性髓内钉。
本发明中，脊柱骨折脱位固定器材是利用张力带、支撑、中和、矫正和拉力螺钉原理，目的是提供适当的稳定性，维持一个运动节段的完整，及整个脊柱生理上的三维形式和平衡，器材包括骨板、固定棒、螺钉、钩或钢丝等。
本发明中，骨针用于手足短管状骨的固定、骨牵引。
本发明中，骨钉主要用于配套骨板的内固定，亦可用作拉力钉、界面钉单独起固定作用，包括与骨板配套使用的螺钉及单独起固定作用的拉力螺钉或界面螺钉，分为自身攻丝螺钉或非自身攻丝螺钉，以及皮质骨螺钉或松质骨螺钉。皮质骨螺钉系全螺纹钉，松质骨螺钉分螺杆及螺纹两部分。
本发明中，生物活性镁合金骨固定器件表面可以通过离子注入、热喷涂、离子镀、溅射、化学气相沉积、激光熔覆、等离子体技术、电化学方法或生物化学方法制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，并可携带生物活性因子，进一步提高其与生物体之间的生物活性，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度；防护层厚度为0.1-200μm，防护层为羟基磷灰石(HA)涂层、β-磷酸三钙(β-TCP)涂层、氧化镁涂层、含氟防护层或含磷防护层。
本发明的特点在于：
1.生物活性。本发明利用镁合金的优异的生物活性特点，使得所设计骨内固定器件在生物体内较短时间即有Ca-P层沉积，并随植入时间的延长，在植入器件周围形成新生骨组织，促进受损部位的愈合。
2.可控降解。本发明充分结合可降解镁合金及表面改性的优点，根据骨内固定器件的服役期需要来选择和优化表面改性层，控制其早期的降解过程，使接骨板在服役早期缓慢均匀腐蚀降解，避免点蚀等局部腐蚀现象，保证接骨板优良的力学性能；在降解后期(即植入体接近设计服役期时)镁合金材料快速安全降解。
3.弹性模量低。相对传统金属骨内固定器件而言，可降解镁合金材料具有和人骨接近的密度和弹性模量。镁合金的密度为1.74g/cm3左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)极为接近，镁合金的弹性模量约为45GPa，接近人骨的弹性模量20GPa左右，作为骨固定物可避免应力遮挡效应。
4.安全、实用性好。镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素，成人每人每日需要量大于350mg，它参与体内一系列新陈代谢过程。可降解镁及镁合金接骨板及骨螺钉在体内生理环境下最终被腐蚀降解并被机体吸收或代谢，其降解产物主要是人体所需的镁离子，镁是人体所需常量元素，所含其他合金元素含量均在生物医用范围之内；因此，采用本发明的可降解镁合金接骨板及骨螺钉是安全的，具有很大的优势和应用前景。
5.价格低。我国是产镁大国，镁矿产量丰富，镁合金价格较钛合金及可降解高分子材料要低很多，所以镁合金植入器件在价格上有很大优势，可大幅度降低植入器件的价格，减少病人的经济负担。
6.适用范围广。本发明适用于人或动物体内由具有生物活性及可吸收性的镁合金所制备的接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针以及单独起固定作用的螺钉，可以促进器件植入部位的组织愈合。同时，还包括在所述内固定器件表面制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度。
附图说明
图1是本发明实施例1所设计的骨内固定器件结构示意图。图中，1接骨板；2孔；3骨螺钉。
图2是采用本发明制备的生物活性器件在模拟体液中浸泡3天后表面沉积Ca-P层的X-射线图谱。
图3-图11是本发明实施例结构示意图。其中，图3是L形接骨板；图4是T形接骨板；图5是三叶形接骨板；图6是Y形接骨板；图7是异形接骨板；图8是弧形接骨板；图9是S形接骨板；图10是异形接骨板；图11是异形接骨板。图中，1接骨板；2孔。
图12是本发明实施例中骨钉的结构示意图。
图13是采用本发明制备的带有β-TCP涂层的生物活性器件在模拟体液中浸泡1天，表面新形成类骨磷灰石的扫描照片。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，采用AZ31B(镁-铝系)镁合金制作成接骨板1及骨螺钉3，骨板1形状为直形板，骨螺钉3通过孔2固定接骨板1。如图2所示，在模拟体液中浸泡3天，表面有Ca-P层沉积，说明该接骨板和螺钉具有良好的生物活性。植入动物体内后1个月时，在接骨板周围有大量的新生组织包围，而钛合金接骨板周围新生组织相对较少，未能包裹接骨板。证明，该镁合金接骨板具有优异的生物活性。
实施例2
如图3-12所示，将ZK60(镁-锌系)镁合金制作成L形、T形、三叶形、Y形、异形、弧形、S形接骨板以及骨钉在模拟体液中浸泡3天，表面有Ca P层沉积，说明该接骨板具有良好的生物活性。
实施例3
将AM60(镁-铝系)镁合金加工成髓内钉，经抛光后，分别在丙酮、酒精中超声清洗5分钟，在真空干燥箱内干燥，然后采用热喷涂方法在镁合金接骨板表面喷涂厚5μm的磷灰石层，进一步提高髓内钉的骨诱导性能。
实施例4
采用Mg94-Ca5-Zn1(镁-钙系)制备拉力螺钉，采用仿生方法(仿生溶液成分为：Na2HPO4·12H2O：20-60gg/l，Ca(NO3)2：30-50g/l，其余为水；温度：25-90℃，时间：2-48h)在外表面制备出β-TCP涂层，其厚度为100μm。所制备拉力螺钉，在模拟体液中浸泡1天，表面有类骨磷灰石形成，如图13所示。随着浸泡时间的延长，表面β-TCP涂层逐渐降解，镁合金基体继续与模拟体液相互作用，表面继续有生物活性Ca-P层形成。
实施例5
采用ZAC8502(镁-锌系)镁合金制备界面螺钉，植入生物体受损部位后，组织在半个月之内愈合，并随着植入时间的延长，界面螺钉在体内被吸收。
实施例6
采用MB1(镁-锰系)镁合金制备拉力钉，植入生物体受损部位1个月后，拉力钉与周围骨组织结合牢固，并在拉力钉周围有新生骨组织形成，经切片分析，在新生骨组织中有骨小梁存在，而钛合金拉力钉周围新生骨组织中并不存在骨小梁，证明此镁合金拉力钉具有优异的生物活性，可诱导新生骨组织形成。
实施例7
采用K1A(镁-锆合金)镁合金制备脊柱骨折脱位固定器材，植入生物体受损部位1个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片分析，在新生骨组织中有骨小梁存在。
实施例8
采用WE43(镁-稀土系)镁合金制备骨针，采用电化学沉积技术(以铂片为阳极，骨针为阴极，电解液为10-4mol/L的CaCl2和Na2HPO4的混合溶液，pH为5.5-7.0，温度为90-100℃，电流密度为0.25-1.75mA/cm2，沉积时间为25-180min，空气中晾干)在外表面制备羟基磷灰石涂层，其厚度为150μm。植入生物体受损部位1个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片分析，在新生骨组织中有骨小梁存在。
实施例9
采用LA141(镁-锂系)镁合金制备生物活性骨板、骨钉，采用真空等离子喷涂工艺(Ar、H2为等离子气体，真空室压力为150mbar，送粉率为20g/min，电流650A，电压60V)、利用粒径范围为10-100μm的羟基磷灰石粉末，在外表面制备出羟基磷灰石，所得羟基磷灰石涂层厚度为130μm。植入生物体受损部位1个月后，与周围骨组织结合牢固，并在周围有新生骨组织形成，经切片分析，在新生骨组织中有骨小梁存在。
Claims (9)
1、一种生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：该骨内固定植入器械为骨内固定器件，骨内固定器件由具有生物活性及可吸收性的金属镁及其合金所制成。
2、如权利要求1所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：具有生物活性及可吸收性的镁合金为：镁铝系列合金、镁锰系列合金、镁锌系列合金、镁锆系列合金、镁稀土系列合金、镁锂系列合金、镁钙系列合金或镁银系列合金等不同的合金体系的一种或由这些体系组合而成的三元系或多元系镁合金。
3、按照权利要求1或2所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：镁合金中，铝的重量含量0～10％；Zn、Mn、Si和/或RE的重量含量0～5％；Zr的重量含量0～1％；Li的重量含量0～15％；Ca的重量含量0～10％；Ag的重量含量0～12％。
4、如权利要求1所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：生物活性镁合金骨固定器件表面通过离子注入、热喷涂、离子镀、溅射、化学气相沉积、激光熔覆、等离子体技术、电化学方法或生物化学方法制备一层防护层，控制镁合金的降解速度及镁离子的溶出速度，从而控制镁合金器件在生物体内的生物活性及吸收速度；防护层厚度为0.1-200μm，防护层为羟基磷灰石涂层、β-磷酸三钙涂层、氧化镁涂层、含氟防护层或含磷防护层。
5、如权利要求1所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：骨内固定器件包括接骨板及配套螺钉、髓内钉、脊柱骨折脱位固定器材、骨针或单独起固定作用的螺钉。
6、如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：所述接骨板包括用于长骨干骨折的加压骨板；或者，用于骨盆、肱骨远端、锁骨或外踝骨折的重建骨板；或者，股骨踝支持骨板、胫骨平台外侧及远端内外侧支持骨板、跟骨及趾(指)骨接骨板、颅骨缺损修复骨板、颌面部接骨板或缺损修复骨板用特殊部位骨板；或者，人字形、弧形、L形、T形、Y形、三叶形、工字形骨板或其他特殊需要的异形接骨板。
7、如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：所述髓内钉包括单根钉、多根钉、坚强髓内钉或可屈性髓内钉。
8、如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：所述脊柱骨折脱位固定器材包括骨板、固定棒、螺钉、钩或钢丝。
9、如权利要求5所述的生物活性可吸收骨内固定植入器械，其特征在于：所述螺钉包括与骨板配套使用的螺钉及单独起固定作用的拉力螺钉或界面螺钉；螺钉分为自身攻丝螺钉或非自身攻丝螺钉，以及皮质骨螺钉或松质骨螺钉，皮质骨螺钉系全螺纹钉，松质骨螺钉分螺杆及螺纹两部分。
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
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Open date: 20081015 |