CN104707172B

CN104707172B - 一种人工椎间盘及其制备方法

Info

Publication number: CN104707172B
Application number: CN201310686914.3A
Authority: CN
Inventors: 尚鹏; 叶新; 杜亚伟; 张黎楠
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN104707172A

Abstract

本发明公开了一种人工椎间盘的制备方法，包括以下步骤：步骤一、提供使用可植入级聚醚醚酮材料制作的人工椎间盘假体；步骤二、将该人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗，去离子水清洗，灭菌消毒；步骤三、将步骤二中处理完毕的人工椎间盘假体浸渍于酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，几天后将吸附有胶原蛋白的人工椎间盘假体取出，浸入交联剂的PBS溶液中，调节pH≥7.4，然后取出，在人工椎间盘假体的上下终板轻轻滴加rhBMP‑2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后再将人工椎间盘假体缓慢浸入Na₂HPO₄溶液中，然后取出并用PBS溶液清洗；步骤四、将步骤三中的人工椎间盘假体置于干燥、灭菌，即可得到人工椎间盘。本发明还公开了利用上述制备方法制备的人工椎间盘。

Description

一种人工椎间盘及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种人工椎间盘及其制备方法，尤其是指一种与颈椎骨骼的优良匹配且术后恢复效果更佳的人工椎间盘及其制备方法。

背景技术

椎间盘置换术（Total Disc Replacement，TDR）在国外开展较早，椎间盘假体的概念在1956年由法国学者Van Steenbrugghe提出，他设想用椎间盘假体替代退变的椎间盘，在解除患者症状的同时，保持手术节段的稳定性和活动性。1973年，Urbaniak等报道了第一例人工椎间盘置换的动物实验。从此，各种各样的椎间盘假体相继出现。2000年1月，世界首例颈椎人工椎间盘在美国植入人体，2004年6月美国食品及药物管理局（FDA）正式批准使用颈椎人工椎间盘的人体使用。目前，颈椎人工椎间盘在全世界范围内取得了较好治疗的效果。颈椎人工椎间盘设计目标是恢复、维持椎间盘切除术后的正常颈椎活动度。颈人工椎间盘有固定和相对活动两种，其材料除具备一般植入物的要求外，必须耐磨，耐腐蚀，目前绝大多数使用钴铬合金和超高分子量聚乙烯。颈人工椎间盘即刻固定取决于周围软组织张力和机械方式，长期固定依靠骨的长入。自上世纪就90年代以来，特别是最近几年，人工椎间盘假体设计和临床研究发展逐渐成熟。目前已进入临床试验的颈人工椎间盘类型有Prestige、Bryan、Prodisc-C、PCM、CerviCore等。其中Bryan假体的应用最为广泛，临床数量最多，美国的一份关于Bryan椎间盘的使用报告显示，自2000年1月Bryan颈椎间盘临床试用到2002年，除美国以外有17个国家使用了2000多个Bryan椎间盘假体。2004年6月美国食品及药物管理局（FDA）正式批准使用颈椎人工椎间盘的人体使用。目前，颈椎人工椎间盘在全世界范围内取得了较好治疗的效果。

我国约在2003年左右引进人工椎间盘置换手术，主要使用进口产品，其中植入Bryan型人工椎间盘假体的病例数最多，也有使用Link SB CharitéI-II型等其他型的人工椎间盘，累计已经有1000例人工椎间盘置换手术病例。

关于人工椎间盘植入后患者颈椎恢复效果的临床跟踪评价，以及对其生物力学评价已经逐渐见诸研究论文报道，但是，目前使用国产人工椎间盘尚未见诸报道。在我国，对国产人工椎间盘的研发几乎是空白。

现有技术的缺点是，国外人工椎间盘的设计是按照欧洲人种的颈椎解剖特征设计的，而中国人体型相对欧洲人种较小，颈椎也相对较小，国外人工椎间盘的尺寸系列不能很好的适应中国人种颈椎特征，因为没有根据针对的国产品牌设计而勉强置换，手术效果将大大折扣，不利于置换者长久的康复。并且现行技术里普遍缺少通过固定活性物质的表面改性技术。

活性物质中人重组骨形态发生蛋白2（rhBMP-2）是一种局部性促生长和分化因子，目前大量研究表明rhBMP-2可以明显促进椎骨融合率，加速脊柱融合。从大量动物实验和临床至今近千例病人资料观察,rhBMP-2用于脊柱融合是安全的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种与颈椎骨骼优良匹配且术后恢复效果佳的人工椎间盘以及制备该人工椎间盘的方法。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是：提供一种人工椎间盘的制备方法，其包括以下步骤：

一种人工椎间盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、提供使用可植入级聚醚醚酮材料制作的人工椎间盘假体；

步骤二、将该人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗，去离子水清洗，灭菌消毒；

步骤三、将步骤二中处理完毕的人工椎间盘假体浸渍于1μg/ml-1mg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，1-3天后将吸附有胶原蛋白的人工椎间盘假体轻轻取出，浸入0.1%-5%质量分数的1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的PBS溶液中，调节pH≥7.4，然后取出，在人工椎间盘假体的上下终板轻轻滴加1μg/ml-1mg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥，再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，然后取出并用PBS溶液清洗；

步骤四、将步骤三中处理完毕的人工椎间盘假体置于干燥、灭菌，即可得到人工椎间盘。

优选地，在步骤二中，超声清洗时间为30分钟，用去离子水清洗至少三遍。

优选地，在步骤三中，浸渍步骤用以下步骤替换：

直接1mg/ml-3mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥。

优选地，在步骤三中，1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺替换为戊二醛、1,6-己二异氰酸酯、京尼平、环氧化合物、二苯基磷酸盐、1,4-二(3,4-羟基苯)-2,3-二甲基丁烷。

优选地，在步骤三中，所述酸溶性胶原蛋白的分子量大于100KD。

优选地，在步骤四中，将人工椎间盘假体置于真空干燥箱中常温干燥，环氧乙烷灭菌。

解决本发明的技术问题所采用的另一技术方案是：利用上述人工椎间盘的制备方法制备的人工椎间盘。

与现有技术相比，本发明的人工椎间盘使用植入级聚醚醚酮（PEEK）根据设计加工出一定尺寸的人工椎间盘假体，并在上下表面与椎骨接触部分采用I型胶原蛋白结合重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）的表面修饰技术对人工椎间盘做表面改性，实现与颈椎骨骼的优良匹配，术后恢复效果更佳。

附图说明

图1为本发明的人工椎间盘的立体图。

图2为本发明的人工椎间盘的俯视图。

图3为本发明的人工椎间盘在表面改性前后水接触角的变化示意图。

图4为本发明的人工椎间盘在表面改性前的扫描电镜图。

图5为本发明的人工椎间盘在表面改性后的扫描电镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于CT图像颈椎三维模型，确定中国人颈椎椎间盘统计参数，采用计算机辅助设计方法设计颈椎人工椎间盘结构。选用聚醚醚酮材料，聚醚醚酮材料具有与皮质骨相仿的弹性模量，此外具有良好的生物相容性、放射线透过性、磁共振扫描不会产生伪影等优点，是非常好的骨材料。由于无表面改性的人工椎间盘假体常会出现松动、下沉等现象，严重影响了人工椎间盘假体的植入效果并引发颈椎疼痛，疼痛迫使患者进行二次手术，改用椎间融合的方式消除疼痛。而用具有生物活性的蛋白质进行表面固定，使人工椎间盘的上下面表面可以更快的与骨融合，达到更佳的术后恢复效果。

椎间盘使用聚醚醚酮（PEEK）为主要材料，并在上下表面与椎骨接触部分采用I型胶原蛋白结合重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）的表面修饰技术对人工椎间盘做表面改性，实现与颈椎骨骼的优良匹配，术后恢复效果更佳。

为了构建人体颈椎脊柱的三维模型，首先利用CT对志愿者脊柱进行扫描，采集得到志愿者颈椎的CT数据，基于这些CT数据，使用软件MIMICS通过设定阈值分割选择颈椎，然后计算三维模型，最后获得从CT数据提取出的颈椎三维模型。对三维模型进行测量，得椎体之间距离与椎体横截面最大距。对多有志愿者数据进行统计分析。根据中国人CT数据建立人工椎间盘，能更好与中国人的颈椎匹配，提升了手术效果，利于置换者长久的康复。

假体的制作是基于病人的CT数据和重建模型，可以基于中国人颈椎一般尺寸批量制造，亦可用于病人的个性化定制，满足单节段及多节段植入需求。

根据统计分析数据，确定人工椎间盘的基本尺寸，设计人工椎间盘三维模型（如图1所示）。该人工椎间盘10的上下表面分别布置六个截面为三角形的凸起12，通过人工椎间盘与周围骨质结合利用手术即刻固定。

该人工椎间盘10为可拆卸结构：上下终板结构，上终板结构具有球结构，下终板中有与上终板半球配合的凹槽，该结构可以实现椎间盘的一定的活动度，并经过有限元分析及结构优化，这个活动自由度和人的椎体活动自由度相似。

本发明也提供一种人工椎间盘的制备方法，包括以下步骤：

步骤二、将聚醚醚酮人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗30min，去离子水清洗数遍（至少3遍），湿热灭菌消毒；

步骤三、将聚醚醚酮假体浸渍于1μg/ml-1mg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，1-3天后将吸附有胶原蛋白的假体轻轻取出（此处的浸渍步骤也可采用直接1mg/ml-3mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥），浸入0.1%-5%质量分数的1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的PBS溶液中(调节pH≥7.4)，1h后取出，在人工椎间盘假体的上下终板轻轻滴加1μg/ml-1mg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后，再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，PBS溶液清洗4次，每次30min；

步骤四、将假体置于真空干燥箱中常温干燥，环氧乙烷灭菌、即可得到人工椎间盘，然后用灭菌袋包装，4℃保存。

优选地，1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)可替换为其他类似交联剂，如戊二醛（GTA）、1,6-己二异氰酸酯（HDI)、京尼平（Genipin）、环氧化合物（EC）、二苯基磷酸盐（DPPA）、1,4-二(3,4-羟基苯)-2,3-二甲基丁烷（NDGA）等蛋白质交联剂。优选地，该酸溶性胶原蛋白的分子量大于100KD。

以下通过具体实施例进一步具体描述该人工椎间盘的制备方法以及其他特征。

实施例一：

步骤二、将该人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗30分钟（min），去离子水清洗数遍，湿热灭菌消毒；

步骤三、将该人工椎间盘假体浸渍于1mg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，1天后将吸附有胶原蛋白的该人工椎间盘假体轻轻取出，浸入1%质量分数的EDC/NHS的PBS溶液中，1h后取出，在该人工椎间盘假体上下终板轻轻滴加10μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后，再将该人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，PBS溶液清洗4次，每次时间为30min；

步骤四、将该人工椎间盘假体置于真空干燥箱中常温干燥，环氧乙烷灭菌，即可得到表面改性的人工椎间盘，然后用灭菌袋包装，4℃保存。

实施例二：

步骤二、将该人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗30min，去离子水清洗数遍，湿热消毒；

步骤三、将该人工椎间盘假体上下终板与椎骨接触两面分别用1mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥箱常温干燥，浸入1%质量分数的EDC/NHS的PBS溶液中，1h后取出，在该人工椎间盘假体上下终板轻轻滴加100μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后，再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，PBS溶液清洗4次，每次时间为30min；

实施例三：

步骤二、将该人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗30min，去离子水清洗数遍，湿热灭菌消毒；

步骤三、将该人工椎间盘假体浸渍于500μg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，3天后将吸附有胶原蛋白的人工椎间盘假体轻轻取出，浸入5%质量分数的EDC/NHS的PBS溶液中，1h后取出，在人工椎间盘假体上下终板轻轻滴加1mg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后，再将假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，PBS溶液清洗4次，每次需要30min。

步骤四、将人工椎间盘假体置于真空干燥箱中常温干燥，环氧乙烷灭菌，即可得到表面改性的人工椎间盘，然后用灭菌袋包装，4℃保存。

实施例四：

步骤二、将人工椎间盘假体置于丙酮溶液中超声清洗30min，去离子水清洗数遍，湿热灭菌消毒；

步骤三、将人工椎间盘假体浸渍于1mg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，1天后将吸附有胶原蛋白的人工椎间盘假体轻轻取出，浸入1%质量分数的EDC/NHS的PBS溶液中，1h后取出，在人工椎间盘假体上下终板轻轻滴加10μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后，再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，PBS溶液清洗4次，每次需要30min；

实施例五：

步骤三、将人工椎间盘假体上下终板与椎骨接触两面分别用3mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥箱常温干燥，浸入3%质量分数的EDC/NHS的PBS溶液中，1h后取出，在假体上下终板轻轻滴加10μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，用PBS溶液清洗4次，每次30min。

实施例六：

步骤三、将人工椎间盘假体上下终板与椎骨接触两面分别用3mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥箱常温干燥，浸入1%质量分数的京尼平的PBS溶液中，1h后取出，在假体上下终板轻轻滴加100μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，用PBS溶液清洗4次，每次30min。

实施例七：

步骤三、将人工椎间盘假体上下终板与椎骨接触两面分别用3mg/ml酸溶性胶原蛋白的PBS溶液的液膜覆盖、真空干燥箱常温干燥，浸入1%质量分数的戊二醛的PBS溶液中，10h后取出，去离子水清洗4次，每次30min，自然晾干，在假体上下终板轻轻滴加100μg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥后再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，10min后取出，用PBS溶液清洗4次，每次30min。

聚醚醚酮（PEEK）材料本身为疏水结构，水接触角＞75°，胶原蛋白为亲水结构，当PEEK表面覆盖胶原蛋白之后，水接触角会出现一个疏水到亲水的转变，如图3所示。

图4为本发明的人工椎间盘在表面改性前的扫描电镜图。图5为本发明的人工椎间盘在表面改性后的扫描电镜图。采用机械加工的方法获得的PEEK椎间盘材料的表面电镜照片，没有胶原蛋白吸附，与图5对照。如图5所示，有很明显的胶原蛋白吸附和交联的结构。

对PEEK材料的细胞增殖-毒性进行实验，采用的CCK-8法测材料表面细胞增殖情况，细胞活力与吸光度（OD值）线性关系。实验发现胶原蛋白吸附改性的PEEK没有细胞毒性，细胞增殖情况正常，表面改性的PEEK材料没有细胞毒性。

本发明采用中国人CT数据，建立颈椎三维模型，进行测量，根据统计分析数据建立人工椎间盘，避免了国外人工椎间盘的尺寸系列不能很好的适应中国人种颈椎特征，因为没有根据针对的国产品牌设计而勉强置换，手术效果将大大折扣的情况，本发明在与骨质结合部位，分别设计6个凸起，利用手术即刻固定，提高手术效率。

使用可植入级聚醚醚酮（PEEK）根据设计加工出一定尺寸的人工椎间盘，并在上下表面与椎骨接触部分采用I型胶原蛋白结合重组人骨形态发生蛋白-2（rhBMP-2）的表面修饰技术对人工椎间盘做表面改性，即通过物理吸附后用碳二亚胺类交联剂交联的方法在人工椎间盘假体表面固定胶原蛋白等蛋白质，实现与颈椎骨骼的优良匹配，术后恢复效果更佳。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种人工椎间盘的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立颈椎三维模型，提供使用可植入级聚醚醚酮材料制作的与所述颈椎三维模型对应的人工椎间盘假体；

步骤三、将步骤二中处理完毕的人工椎间盘假体浸渍于1μg/ml-1mg/ml的酸溶性胶原蛋白的PBS溶液中，所述酸溶性胶原蛋白的分子量大于100KD，1-3天后将吸附有胶原蛋白的人工椎间盘假体取出，浸入0.1％-5％质量分数的1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺的PBS溶液中，调节pH≥7.4，然后取出，在人工椎间盘假体的上下终板轻轻滴加1μg/ml-1mg/ml的rhBMP-2的PBS溶液形成一层水膜，真空干燥，再将人工椎间盘假体缓慢浸入0.1M的Na₂HPO₄溶液中，然后取出并用PBS溶液清洗，在上下表面与椎骨接触部分采用I型胶原蛋白结合重组人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)的表面修饰技术对人工椎间盘做表面改性；

步骤四、将步骤三中处理完毕的人工椎间盘假体进行干燥、灭菌，即可得到人工椎间盘。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤二中，超声清洗时间为30分钟，用去离子水清洗至少三遍。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤三中，浸渍步骤用以下步骤替换：

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤三中，1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)-碳化二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺替换为戊二醛、1,6-己二异氰酸酯、京尼平、环氧化合物、二苯基磷酸盐、1,4-二(3,4-羟基苯)-2,3-二甲基丁烷。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤四中，将人工椎间盘假体置于真空干燥箱中常温干燥，环氧乙烷灭菌。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的制备方法制备的人工椎间盘。