CN105797208A - 一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法，用于颅骨损伤及整形修复，结构包括植入网，骨钉孔设置在植入网的周围，植入网具有通透的网状结构且具有仿生弧度，植入网和骨钉孔通过表面改性处理获得可降解生物涂层，通透的网状结构便于植入体下部及周围组织的生长，金属植入体表面通过仿生溶液法、离子束辅助沉积法、化学或电化学沉积法、离子注入法、等离子喷涂法或激光熔覆法形成的可降解生物涂层具有优异的生物相容性、生物活性和生物可吸收性，结构致密，与金属植入体结合牢固，一方面能够控制可降解金属植入体的降解速率，另一方面使得金属植入体具有优异的生物活性和生物相容性，降解产物不影响新骨生成，本发明的金属植入体具备足够抗压和抗弯强度的同时，还具备良好的弹性和韧性，适合人体颅骨的修复要求。

Description

一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体地，本发明涉及一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法。

背景技术

颅骨修补术是针对脑外伤或开颅手术等导致的颅骨缺损，部分病人是因手术减压或有病颅骨切除而残留骨缺损，从而对其进行修补的一种脑外科常见手术，目的是解决颅骨缺损区域没有对脑组织进行有效保护、供血障碍、以及脑脊液循环异常等问题，另外还可以解决外形修复整形问题。因为是要对脑部组织的修补，所以选择的材料，不但要求手术操作简单和减少并发症，还要能够反复塑形，因此颅骨缺损需要适当的重建，以提供生物力学稳定性，从而达到脑保护和最佳的美容效果。

到目前为止，尚未有一种理想的修复材料，既具有优良的力学性能和生物学相容性，同时还能引导缺损颅骨再生、愈合，并且自身可以完全降解或被吸收，从而实现生理性骨愈合，从审美和心理方面满足患者的需要。目前所应用的颅骨修补材料主要包括天然生物材料和人工合成材料两大类。天然生物材料来源于自体骨、同种异体骨、异种异体骨，因其分别存在取材有限、免疫排异反应、感染风险等不足，因此仅限用于颅骨小面积缺损的“填充式”移植。对于颅骨的大面积缺损，主要使用人工合成材料进行修补。人工合成材料分为金属材料和非金属材料。非金属材料包括有机玻璃、骨水泥及复合材料，有机玻璃坚硬、可加热塑性且取材方便，但对人体有刺激且时间久后易老化，难以达到满意效果；骨水泥塑形快，但对脑组织有刺激，术后易变形产生松动。常用的金属有钽、钛合金板或不锈钢板，其塑型方便，但作为永久植入物，其长期物理刺激，长期的异物刺激引起并发症， 同时也会引起局部的慢性炎症反应。这些颅骨修复植入物能够完成其力学稳定性、脑保护和最佳的美容效果，在自身颅骨生长后最好能够消失。虽然这些金属支架在现阶段能够暂时满足临床上的需要，但是从长远来看，发展生物可降解的、具有更高生物相容性和生物活性的颅骨修复植入体已经成为一种趋势。可降解高分子材料虽然可以作为颅骨修复使用，但是其力学性能相对欠佳，而且酸性的降解产物容易引发急性或慢性的炎症等。因此发展生物可降解的颅骨修复用金属植入体是成为现阶段颅骨修补术研究的一个重要的方向之一。

专利号为CN201510050828.2的发明专利涉及一种具有生物活性的颅骨修复假体及其制备方法。该发明所述具有生物活性的颅骨修复假体由内而外依次包括未改性的颅骨修复假体层、改性的颅骨修复假体层和纳米纤维膜层；该发明还提供了颅骨修复假体的制备方法。通过采用上述三层结构，并利用与人体骨硬度、强度、重量相当，生物相容性好的聚芳醚酮类材料和3D打印技术，该发明的颅骨修复假体力学性能相对欠佳，不能控制可降解金属的降解速率。

发明内容

为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法，金属植入体表面生物功能化获得的可降解生物涂层具有优异的生物相容性、生物活性和生物可吸收性。通过离子束辅助沉积法、电沉积法、化学气相沉积、电弧沉积、离子注入、热喷涂法、激光熔覆法形成的可降解生物涂层，结构致密，与金属植入体结合牢固，一方面能够控制可降解金属的降解速率，另一方面使得金属植入体具有优异的生物活性和生物相容性，降解产物不影响新骨生成，本发明的金属植入体具备足够抗压和抗弯强度的同时，还具备良好的弹性和韧性，适合人体颅骨的修复要求。

本发明提供一种颅骨修复用可降解金属植入体，用于颅骨损伤及整形修复，包括植入网，骨钉孔设置在植入网的周围，植入网具有通透的网状结构且具有仿生弧度，植入网和骨钉孔通过表面改性处理获得可降解生物涂层。通透的网状结构便于植入体下部及周围组织的生长。

优选的是，所述植入网及骨钉孔表面采用仿生溶液法、离子束辅助沉积法、化学或电化学沉积法、离子注入法、等离子喷涂法或激光熔覆法中的任意一种进行表面改性处理。

上述任一方案优选的是，所述可降解生物涂层为硅酸钙、磷灰石或磷酸三钙中的任意一种。

上述任一方案优选的是，所述可降解生物涂层为硅酸钙、磷灰石、或磷酸三钙中的任意一种与生物降解高分子材料组成的复合物。

上述任一方案优选的是，所述可降解生物涂层厚度为1-20μm，可降解生物涂层与植入网的结合强度为30-100MPa。

上述任一方案优选的是，所述植入网的内外曲面均具有±0°～±90°的弧度。

上述任一方案优选的是，所述植入网厚度为0.1-1.0mm。

上述任一方案优选的是，所述植入网厚度渐变分布，植入网的中部厚度为边缘厚度的1-2倍。

上述任一方案优选的是，所述植入网中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1-2倍。

上述任一方案优选的是，所述植入网中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1.2倍。

上述任一方案优选的是，所述植入网中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1.5倍。

上述任一方案优选的是，所述植入网中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1.8倍。

上述任一方案优选的是，所述骨钉孔的数量为四个以上。

上述任一方案优选的是，所述骨钉孔的数量为四个。

上述任一方案优选的是，所述植入网和骨钉孔采用可生物降解的医用金属材料制作而成。

上述任一方案优选的是，所述可生物降解的医用金属材料包括镁基合金、铁基合金、锌基合金材料。

上述任一方案优选的是，所述镁基合金材料包括纯镁合金、镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁钙合金材料。

上述任一方案优选的是，所述铁基合金材料包括纯铁合金、铁碳合金、铁硫合金、铁钨合金、铁锰合金材料。

上述任一方案优选的是，所述锌基合金材料包括纯锌合金、锌镁合金材料。

上述任一方案优选的是，所述镁基合金、铁基合金和锌基合金材料中Al的重量含量<9％，Zn、Mn、Si或 Re的重量含量均<5％，Zr的重量含量<1％，Ca的重量含量<3％。镁基、铁基、锌基中合金元素的含量应满足生物医用的要求范围内，使其降解产物不会引起组织毒性反应。

上述任一方案优选的是，所述植入网为网状结构，植入网的网状结构由菱形孔洞、圆形孔洞、椭圆形孔洞或XO型孔洞中的至少一种组成。孔间距为5-15mm。

上述任一方案优选的是，所述骨钉孔的孔径为1-2mm。

上述任一方案优选的是，所述植入网设有四条边且两两对称设置。

上述任一方案优选的是，所述骨钉孔对称设置在植入网的两条边上，植入网的另外两条边均匀设有V形缺口，有利于吻合颅骨缺损边缘。

上述任一方案优选的是，所述植入网能够按照所需大小或形状进行个性化裁剪、塑型且不影响修复功能。

本发明还公开了一种颅骨修复用可降解金属植入体的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）、金属植入体加工成型；

步骤（2）、将加工成型的金属植入体表面采用仿生溶液法、离子束辅助沉积法、化学或电化学沉积法、离子注入法、等离子喷涂法或激光熔覆法中的任意一种进行表面改性处理，植入网表面生成能够改善生物相容性或骨组织诱导性能的可降解生物涂层。

上述任一方案优选的是，所述步骤（2）中仿生溶液法即将加工成型的金属植入体放入仿生溶液中浸泡处理，使植物网表面生成磷灰石层。

上述任一方案优选的是，所述步骤（2）中离子束辅助沉积法即将加工成型的金属植入体放入离子束辅助沉积的真空装置中，通过用CaO粉末加入到HA粉末中制备具有较高Ca/P比率的钙磷涂层。

上述任一方案优选的是，所述步骤（2）中电化学沉积即采用恒电流沉积模式，将加工成型的金属植入体作为电化学反应的阴极，铂片作为阳极，钙磷混合溶液组成的电解液，沸腾条件下沉积。

上述任一方案优选的是，所述步骤（2）中激光熔覆法即将涂有羟基磷灰石的金属植入体采用激光熔覆装置进行激光熔覆处理，激光功率为8W，激光光斑直径为0.6mm，激光脉冲频率设为2.0Hz。

上述任一方案优选的是，所述步骤（1）中金属植入体的成型方式可以采用丝材编织、激光雕刻、机加工、模铸、焊接、铸造、中的任意一种方法成型。

本发明提供一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法，用于颅骨损伤及整形修复，包括植入网，骨钉孔设置在植入网的周围，植入网具有通透的网状结构且具有仿生弧度，植入网和骨钉孔通过表面改性处理获得可降解生物涂层。通透的网状结构便于植入体下部及周围组织的生长。

本发明有以下几个方面的优点：

1.具有生物可降解性，相对现有不可降解金属修复植入体，可降解金属材料制作的颅骨修复植入体可以在达到修复体目的后逐渐降解，不会引起长期炎症反应。

2.生物力学稳定性好，相对可降解高分子材料而言，可降解金属材料制作的颅骨修复植入体具有较高的比强度，可有效保护脑组织。而且可以利用金属优异的塑性， 随时改变植入体的形状，并且保持塑型后的状态，避免出现塌陷等现象。

3.涂层的生物功能化，金属植入体表面获得生物功能化涂层，一方面有效地控制了植入体的生物降解速率， 同时使植入体具有更好的生物相容性和骨组织诱导生长特性。

4.结构简单，可以提前预制不同型号，可以现场裁剪，也可以个性化定制，采用三维扫描技术对患者的缺损处扫描，收集数据，再用计算机软件建模，制备出与患者更加匹配的植入体。

附图说明

图1为可降解金属植入体的一实施方式结构示意图；

图2为可降解金属植入体的另一实施方式结构示意图；

图3为可降解金属植入体的另一实施方式结构示意图。

具体实施方式

为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提供一种颅骨修复用可降解金属植入体及其制备方法，用于颅骨损伤及整形修复，包括植入网1，骨钉孔2设置在植入网1的周围，植入网1具有通透的网状结构且具有仿生弧度，植入网1和骨钉孔2通过表面改性处理获得可降解生物涂层。通透的网状结构便于植入体下部及周围组织的生长，满足人体颅骨的修复要求，而且通过表面功能化处理可以控制降解速率，获得良好的生物活性和生物相容性，并且促进颅骨缺损的再生、愈合，完成生物力学稳定性、脑保护和美容效果后能逐步降解，被吸收或者排出。在具体实施时，可降解金属植入体可单层使用，或两层以上组合使用。

植入网1厚度为0.1-1.0mm，中部略厚为边缘厚度的1-2倍，中部略厚能起到保护作用且能维持整个植入体的结构稳定性，防止塌陷；具有仿生弧度，内部具有通透的网状结构，对称边设计至少4个骨钉孔2利于固定，另一对称边利于吻合颅骨缺损边缘。

颅骨修复用可降解金属植入体的材料采用目前医学上使用的可生物降解金属，包括镁基合金材料（包括纯镁合金、镁铝合金、镁锰合金、镁锌合金、镁锆合金、镁稀土合金、镁钙合金材料），铁基合金材料（包括纯铁合金、铁碳合金、铁硫合金、铁钨合金列、铁锰合金材料）和锌基合金材料（包括纯锌合金、锌镁合金材料）。镁基合金、铁基合金、锌基合金材料中合金元素的含量应满足生物医用的要求范围内，使其降解产物不会引起组织毒性反应，其中铝Al的重量含量<9％，Zn、Mn、Si或 RE的重量含量<5％、Zr的重量含量<1％；Ca的重量含量<3％。代表性合金如镁基合金材料Mg-6Zn, LAE442, AM60, WE43, LA91, ZK21, Mg-1Ca等，铁基合金材料如Fe, Fe-2W, Fe-Mn, Fe-0.5cnt, Fe-W等，锌基合金材料如Zn, Zn-1Mg等。

本发明的可降解金属植入体通过表面改性处理方法，获得可降解生物涂层，一方面控制可降解金属的降解速率，另一方面使得植入物具有优异的生物活性和生物相容性，整个植入体的降解产物不影响新骨生成。整个植入体具备足够抗压和抗弯强度的同时，还具备良好的弹性和韧性，适合人体颅骨的修复要求。相对现有不可降解金属修复植入体，可降解金属材料制作的颅骨修复植入体可以在达到修复体目的后逐渐降解，不会引起长期炎症反应；生物力学稳定性好，相对可降解高分子材料而言，可降解金属材料制作的颅骨修复植入体具有较高的比强度，可有效保护脑组织，而且可以利用金属优异的塑性，随时改变植入体的形状，并且保持塑型后的状态，避免出现塌陷等现象；涂层的生物功能化，金属植入体表面获得生物功能化涂层，一方面有效地控制了植入体的生物降解速率，同时使植入体具有更好的生物相容性和骨组织诱导生长特性；结构简单，可以提前预制不同型号，可以现场裁剪，也可以个性化定制，采用三维扫描技术对患者的缺损处扫描，收集数据，再用计算机软件建模，制备出与患者更加匹配的植入体。

下面详细介绍本发明的具体实施方式:

实施例1：Mg-1Ca合金，菱形图案，仿生溶液法

(1)选用的Mg-1Ca合金，机加工获得0.5mm厚的植入网1，植入网1中部五分之一区域厚度为1.0mm，骨钉孔2的孔径为1.2mm，植入网1的两条对称边上均匀设有V形缺口3，植入网1尺寸为30×30mm薄片，制备曲面，植入网1的内外曲面具有±30°的弧度。

激光雕刻成菱形镂空图案，如图1所示，将植入体放入丙酮中超声清洗10min，再在乙醇中超声清洗10min，最 后在去离子水中超声清洗10min，干燥。

(2)放入在37℃的仿生溶液(试剂级无水CaCl₂（100mg/L）溶解在DPBS中，配制含钙的DPBS溶液）中浸泡12小时，取出后在去离子水中冲洗后，干燥。表面磷灰石的厚度为10μm，与基体的结合强度为40Mpa。

依据本发明的方法并采用Mg-1Ca合金获得的金属植入体，选用的Mg-1Ca合金为致密结构或多孔结构。

在具体实施时，本发明还提供一种颅骨修复用可降解金属植入体的使用方法，可降解金属植入体可单层使用，或两层以上组合使用。如可降解金属植入体为两层时，第一层可降解金属植入体，选用Mg-1Ca合金为多孔结构，Mg-1Ca合金的多孔结构用于承载药物，承载药物后在仿生溶液中生成表面磷灰石，不仅起到初步封闭药物的作用，同时磷灰石为多孔结构，也可以用于承载药物，Mg-1Ca合金的多孔结构和表面磷灰石能够用于承载不同或相同的药物； 表面磷灰石上部还设有一层可降解金属植入体，即为第二层可降解金属植入体，此时，可以根据需要，可降解金属植入体选用的Mg-1Ca合金为致密结构或多孔结构，当为致密结构时，Mg-1Ca合金则不能用来承载药物，当为多孔结构时，则可以用来承载药物，同时，其表面在仿生溶液中生成的表面磷灰石也可以用来承载药物，Mg-1Ca合金的多孔结构和表面磷灰石能够用于承载不同或相同的药物，第一层可降解金属植入体和第二层可降解金属植入体承载的药物或相同或不同，可用于对患者进行间歇治疗或持续治疗。

具有以下优点:

1、比强度高。相对可降解高分子材料而言，镁合金材料制作的颅骨修复体具有较高的比强度，可有效保护脑组织。而且可以利用金属的可塑性，随时改变修复体的形状，并且能够保持塑型后的状态，避免出现塌陷等现象。

2、骨组织诱导特性。可降解纯镁及镁合金在体外模拟体液中研究表明可逐渐生成富镁的类骨磷酸盐，在动物试验中也发现镁合金有促进和诱导 骨组织生长的特性，同时本发明结合可降解生物活性陶瓷良好的生物相容性和诱导骨组织的优点，一方面有效地控制了修补体的生物降解吸收速度，同时使修复体具有更好的生物相容性和骨组织诱导生长特性。

3、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，所选用的可降解高分子材料也是目前临床上常用的，因此采用本发明处理后的纯镁及镁合金制备可控降解医用植入器件是安全的，具有很大的优势和应用前景。

实施例2 Fe-30Mn-1C合金，圆形，离子束辅助沉积法

(1)选用的Fe-30Mn-1C合金，机加工获得0.5mm厚的植入网1，植入网1中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1.5倍，即，植入网1中部五分之一区域厚度为0.6mm，骨钉孔2的孔径为1.2mm，植入网1的尺寸为30×30mm薄片，制备曲面，植入网1的内外曲面具有±45°的弧度，激光雕刻成圆形镂空图案，如图2所示，将植入体放入丙酮中超声清洗10min，再在乙醇中超声清洗10min，最 后在去离子水中超声清洗10min，干燥。

(2)将Fe-30Mn-1C合金植入体放入离子束辅助沉积的真空装置，通过用37%CaO粉末加入到HA粉末中制备具有较高Ca/P比率的钙磷涂层。使用电子束蒸发器和球状端口形式的离子枪。沉积前，基底用120V，2A氩离子束溅射清洗20min，获得合适的真空度（基本压强2 × 10−7Torr）。经过20min的离子束轰击，蒸镀的水汽通量在电子束蒸发器上生成，并在旋转基板上沉积到一定厚度。沉积中,的基底温度保持低于100℃。取某些样品在250℃退火处理2h并浸入100℃去离子水中30min。取出，37℃干燥箱真空干燥48小时。

实施例3 纯Zn，XO，电化学沉积法

(1)选用纯Zn金属，机加工获得0.5mm厚植入网1，植入网1中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1.5倍，即植入网1中部五分之一区域厚度为7.5mm，骨钉孔2的孔径为2mm，植入网1尺寸为30×30mm薄片，制备曲面，植入网1的内外曲面具有±60°的弧度，激光雕刻成XO间隔图案，如图3所示，将植入体放入丙酮中超声清洗10min，再在乙醇中超声清洗10min，最后在去离子水中超声清洗10min，干燥。

(2)采用恒电流沉积模式，电流密度控制为1.0mA/cm₂左右；以纯Zn金属作为电化学反应的阴极，对电极选用铂片；电解液为10-4mol/l的CaCl₂和Na₂HPO₄的混合溶液，PH调节在5.5-7.0之间，在沸腾条件下沉积，沉积时间为10-30分钟。取出，37℃干燥箱真空干燥48小时，获得的可降解生物涂层厚度为15μm。

实施例4 Zn-1Mg合金，椭圆形，激光熔覆法

(1)选用Zn-1Mg金属，机加工获得1.0mm厚植入网1，尺寸为50×50mm薄片，植入网1中部五分之一区域厚度为1.8mm，制备曲面，植入网1的内外曲面具有±80°的弧度，激光雕刻成椭圆形图案，将植入体放入丙酮中超声清洗10min，再在乙醇中超声清洗10min，最后在去离子水中超声清洗10min，干燥。

(2)调整激光熔覆装置参数，激光功率为8W，将激光光斑直径设为0.6mm,将激光脉冲频率设为2.0Hz。将涂有羟基磷灰石的血管支架放在实验台上按设定参数进行激光熔覆处理。取出，37℃干燥箱真空干燥48小时。

需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种颅骨修复用可降解金属植入体，用于颅骨损伤及整形修复，其特征在于，包括植入网，骨钉孔设置在植入网的周围，植入网具有通透的网状结构且具有仿生弧度，植入网和骨钉孔通过表面改性处理获得可降解生物涂层。

2.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述植入网及骨钉孔表面采用仿生溶液法、离子束辅助沉积法、化学或电化学沉积法、离子注入法、等离子喷涂法或激光熔覆法中的任意一种进行表面改性处理。

3.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述可降解生物涂层为硅酸钙、磷灰石或磷酸三钙中的任意一种。

4.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述可降解生物涂层为硅酸钙、磷灰石、或磷酸三钙中的任意一种与生物降解高分子材料组成的复合物。

5.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述可降解生物涂层厚度为1-20μm，可降解生物涂层与植入网的结合强度为30-100MPa。

6.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述植入网的内外曲面均具有±0°～±90°的弧度。

7.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述植入网厚度为0.1-1.0mm。

8.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述植入网厚度渐变分布，植入网的中部厚度为边缘厚度的1-2倍。

9.如权利要求1所述的颅骨修复用可降解金属植入体，其特征在于，所述植入网中部五分之一区域厚度为边缘厚度的1-2倍。

10.一种颅骨修复用可降解金属植入体的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）、金属植入体加工成型；

步骤（2）、将加工成型的金属植入体表面采用仿生溶液法、离子束辅助沉积法、化学或电化学沉积法、离子注入法、等离子喷涂法或激光熔覆法中的任意一种进行表面改性处理，植入网表面生成能够改善生物相容性或骨组织诱导性能的可降解生物涂层。