專(zhuān)利名稱(chēng)：多孔人工移植骨及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用磷酸鈣或其它陶瓷粉末構(gòu)造以多孔塊形式的人工骨的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種新的制造方法，用來(lái)形成具有可控多孔結(jié)構(gòu)的良好的人工移植骨。它可以用來(lái)更換用于整形外科手術(shù)包括椎骨恢復(fù)、肌與骨骼的重建、骨折修復(fù)、髖部和膝蓋重建、骨強(qiáng)化程序和/或口腔/上頜面的手術(shù)的自體移植物和同種異體移植物。
當(dāng)前歐洲移植骨市場(chǎng)主要有自體移植物(取自身體一部分并且轉(zhuǎn)移到同一人的另一部分的骨骼)和同種異體移植物(取自一個(gè)人并且轉(zhuǎn)移到不同人的骨骼)兩種。在自體移植過(guò)程中，通常從病人身體的骨盆中提取移植骨。必須同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)手術(shù)。病人受益于在缺陷區(qū)域中起作用的相容活細(xì)胞。但是，缺點(diǎn)是相當(dāng)多的。這些缺點(diǎn)是長(zhǎng)期經(jīng)常感到虛衰的痛苦，該痛苦是由于采集操作、失血、感染的危險(xiǎn)以及長(zhǎng)時(shí)間住院和恢復(fù)時(shí)間而導(dǎo)致的。第二手術(shù)也增加了相當(dāng)大的費(fèi)用。
同種異體移植手術(shù)通常使用來(lái)自尸體的骨骼。雖然這不需要第二手術(shù)程序，但是移植的骨骼可能與自身骨骼不相容并且最終受到排斥。同種異體移植還具有將多種病毒傳給病人的可能性較小但麻煩的危險(xiǎn)，這些病毒包括引起AIDS或肝炎的病毒。因此，必須花費(fèi)很大努力來(lái)研制出生物兼容的人工移植骨。
這些人工移植骨通常具有一種直徑通常為100-500μm的互連大孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為自身骨骼再生提供一種構(gòu)架同時(shí)減少了恢復(fù)時(shí)間。多孔結(jié)構(gòu)的孔尺寸對(duì)于骨骼傳導(dǎo)性而言是重要的。根據(jù)活體外和活體內(nèi)試驗(yàn)，骨骼組織向內(nèi)生長(zhǎng)的適當(dāng)孔隙直徑為200-300μm，如果孔隙直徑小于100μm，則骨組織會(huì)積累在該表面上而不會(huì)出現(xiàn)骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)。在植入之后，移植骨應(yīng)該緩慢地降解并且由生長(zhǎng)的骨骼所代替。它應(yīng)該導(dǎo)致通過(guò)受者的自身生骨活動(dòng)在有缺陷的骨骼位置處進(jìn)行骨骼更新。但是，降解需要骨替代材料是微孔的，其孔隙直徑為1-5μm?！翱山到狻币浦补堑娜芙膺^(guò)程以?xún)蓚€(gè)步驟進(jìn)行燒結(jié)顆粒中的頸部的細(xì)胞外溶解和這樣分離的顆粒的細(xì)胞內(nèi)吞噬作用。第一步驟在退火的生物陶瓷塊中是不可能的并且在那些具有厚連接壁的多孔人工移植骨中非常困難，因?yàn)闆](méi)有任何小頸部可以讓這些細(xì)胞侵襲。
市購(gòu)的人工移植骨通常具有隨機(jī)分布的孔隙直徑并且沒(méi)有任何互連的多孔結(jié)構(gòu)的可觀(guān)察到的優(yōu)選取向。該結(jié)構(gòu)有可能在活體內(nèi)一段時(shí)間之后防止血管發(fā)育，并且移植骨的中間通常保持沒(méi)有骨骼。雖然大多數(shù)市售移植骨具有與活體骨骼的礦物質(zhì)相相似的化學(xué)組分，但是該移植骨不適用于大型用途或者作為永久的替代物，因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)成分不能在手術(shù)之后流動(dòng)穿過(guò)該人工多孔移植骨。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種用于制備人工骨的方法，該方法包括(i)在惰性液體中制備出細(xì)分的生物相容陶瓷粉末、有機(jī)粘合劑和造孔劑的混合物以形成主體，并且使得造孔劑中的至少一些沿著共同軸線(xiàn)排列；(ii)任意地使所得到的主體成型；(iii)使得造孔劑在主體中形成多孔結(jié)構(gòu)；(iv)將成型的主體加熱到足以使多孔結(jié)構(gòu)定型的溫度；并且(v)進(jìn)一步加熱所述主體以消除殘余的有機(jī)粘合劑和造孔劑并且使它熔化。本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明在已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明之后，現(xiàn)在將參照附圖
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，該附圖顯示出本發(fā)明的典型方法的流程圖。
該方法的主要成分是生物相容陶瓷粉末、有機(jī)粘合劑和造孔劑。陶瓷粉末可以是任何生物相容的陶瓷材料。例如，它可以是機(jī)械陶瓷，從而所得到的人工移植骨具有足夠的強(qiáng)度。可以使用的材料包括氧化鋯和氧化鋁。但是，優(yōu)選使用一種磷酸鈣陶瓷材料。雖然可以為此使用包括α-磷酸三鈣(TCP)、β-TCP和羥基磷灰石(HA)Ca10(PO4)6(OH)2在內(nèi)的所有醫(yī)用級(jí)磷酸三鈣，對(duì)于大型工件而言?xún)?yōu)選使用HA，因?yàn)樗€(wěn)定?？梢允褂蒙锵嗳莶牧系幕旌衔铮缌姿徕}陶瓷和氧化鋁或氧化鋯的混合物。另外，可以在粉末中加入少量例如5％重量百分比的硅石和有機(jī)鋅化合物以提高其骨傳導(dǎo)性。
優(yōu)選的是，陶瓷粉末均勻地分散。顆粒越小，則表面積以及顆粒被液體潤(rùn)濕的可能性越大；這也有利于最終燒結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，粉末不會(huì)超過(guò)大約為100微米的平均直徑。因此，優(yōu)選的粉末將具有1nm-50微米的平均粒徑，例如為0.1-10微米。
有機(jī)粘合劑必須將陶瓷粉末粘結(jié)在一起以形成一種密實(shí)的結(jié)構(gòu)，并且在每個(gè)陶瓷顆粒與保持有惰性液體的間格處的間隙之間具有許多接觸點(diǎn)。有機(jī)粘合劑的精確特性不是嚴(yán)格的，只要它不會(huì)在燒制時(shí)留下殘余物；它通常為固體。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，碳水化合物粉末尤其有用，特別是玉米粉或小麥粉，但是也可以使用其它有機(jī)材料例如自然提取的淀粉。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將知道可以使用什么樣的可選材料。粘合劑應(yīng)該以粉末的形式結(jié)合進(jìn)漿液中。
造孔劑用來(lái)在由陶瓷粉末和粘合劑形成的主體中形成孔。這通常是通過(guò)從造孔劑中散發(fā)出氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。合適的造孔劑包括微生物例如真菌如酵母細(xì)胞，以及源于磷和碳的酸的無(wú)機(jī)鹽尤其是堿金屬鹽例如磷酸和碳酸的鈉鹽。具體的實(shí)施例包括二磷酸二鈉(disodiumdiphosphate)和碳酸氫鈉。
漿液在惰性液體中形成，即該液體必須在室溫下既不會(huì)與造孔劑反應(yīng)也不會(huì)與陶瓷粘合劑反應(yīng)。通常，惰性液體為水，尤其是去離子水，但是也可以使用有機(jī)液體例如乙醇。
在步驟(i)的優(yōu)選實(shí)施方案中，首先制備出陶瓷粉末的漿液，然后將有機(jī)粘合劑和造孔劑加入其中(在圖中的步驟1和2)。但是，也可以將陶瓷粉末、有機(jī)粘合劑和造孔劑混合在一起，然后加入液體溶劑。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，首先通過(guò)將磷酸鈣與水或其它惰性液體混合來(lái)制備出磷酸鈣陶瓷漿液。為了有助于分散，優(yōu)選加入分散劑以確保陶瓷粉末在整個(gè)漿液中均勻地分散。為此可以使用的典型分散劑包括酸/堿溶液和聚合物例如磷酸鹽和丙烯酸酯聚合物。優(yōu)選的分散劑包括氨水、磷酸例如正磷酸、或丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯聚合物的銨鹽例如聚丙烯酸銨和聚甲基丙烯酸銨。
然后優(yōu)選任意選用磨料例如氧化鋁、不銹鋼或碳化鎢小球或圓柱來(lái)研磨該漿液。這些磨料在研磨之后當(dāng)然要被除去。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，在通常帶有橡膠壁的圓筒碾磨機(jī)中進(jìn)行研磨。通常密封的滾筒碾磨機(jī)能夠以低速轉(zhuǎn)動(dòng)幾個(gè)小時(shí)以形成高密度并且分散良好的陶瓷漿液。通常優(yōu)選的是，研磨操作花費(fèi)至少1個(gè)小時(shí)至50個(gè)小時(shí)以便使粉末的尺寸優(yōu)化。要理解的是，在漿液中的粉末尺寸可以決定孔隙的尺寸，因?yàn)樵摱嗫捉Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是一系列密實(shí)的不規(guī)則陶瓷顆粒，在該方法的最后步驟期間這些顆粒熔合到它們相鄰的顆粒上。
之后通常將碳水化合物粉末和造孔劑逐漸加入到漿液中以形成所述的高粘性彈性材料。優(yōu)選的是，在密封的氧腔室中進(jìn)行混合以便確保所混合的材料是富含氧以供造孔劑反應(yīng)使用?？梢岳斫獾氖?，盡管造孔劑的量控制了最終產(chǎn)品的整體孔隙度，但是粘合劑的數(shù)量決定了混合物的的彈性性能。
可以理解的是，在步驟(iii)中使用的精確條件將取決于造孔劑的特性。因此，如果使用了酵母，則通常需要有營(yíng)養(yǎng)物例如少量糖來(lái)刺激新陳代謝從而產(chǎn)生二氧化碳。一般來(lái)說(shuō)，升高主體溫度將使得造孔劑反應(yīng)，從而導(dǎo)致氣體散發(fā)。造孔步驟可以通過(guò)提高溫度和/或壓力來(lái)加速，但是要理解的是，應(yīng)該注意要確保將該溫度保持在會(huì)殺死酵母的溫度以下。一般來(lái)說(shuō)，28-30℃的溫度將使得酵母形成孔。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果使用更大量的酵母的話(huà)，則可以容忍更高的溫度例如40℃-一些酵母保持活著?？紫吨睆皆诤艽蟪潭壬嫌蓽囟群退褂玫脑炜讋┝繘Q定。使用密封的氧氣腔室有助于該方法的再現(xiàn)性，但是當(dāng)然也可以只在空氣中進(jìn)行混合。
所使用的陶瓷粉末數(shù)量通常應(yīng)該盡可能地高。通常，采用80wt％的陶瓷粉末、19wt％的碳水化合物和大約1wt％的酵母。因此一般來(lái)說(shuō)，使用50-90wt％的陶瓷、5-50wt％的粘合劑以及0.5-5wt％優(yōu)選為0.5-3wt％的造孔劑。顯然，所使用的造孔劑的精確量取決于該試劑的特性。
還要理解的是，假如還有足夠的造孔劑，則孔隙直徑隨著時(shí)間將增加。理想的是，孔隙直徑應(yīng)該大約為200-300微米。如果孔隙直徑比這個(gè)數(shù)值小得多的話(huà)，則就不夠造骨細(xì)胞向內(nèi)生長(zhǎng)。另外，如果要求以任意方式填滿(mǎn)孔隙的話(huà)，則如下所述它們應(yīng)該稍微比理想尺寸更大，因?yàn)榉駝t這些孔就不能保持這些分子。
要理解的是，主體在這個(gè)階段處采取一種面團(tuán)狀外形，即它保持著其形狀。
優(yōu)選的是，在任意成型步驟(ii)之前，將該產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到擠出機(jī)或其它裝置以為成型步驟提供必要的形狀和尺寸(在圖中的步驟3)。擠出步驟的目的在于在最終的多孔結(jié)構(gòu)中形成所要求的多孔狀和取向。通過(guò)使用不同的擠出力和不同形狀的前模，該材料可以成形為具有所要求排列的任意幾何形狀，例如在垂直或水平平面中的線(xiàn)性中空管、交聯(lián)矩陣或螺旋形式的孔。要理解的是，造孔劑將沿著擠出方向延伸并且最終形成所要求的孔取向，即沿著共同軸線(xiàn)排列。顯然，主體必須具有足夠的粘性如在一種面團(tuán)狀主體中的一樣以便可以進(jìn)行這種排列。有時(shí)這可以只通過(guò)拉伸來(lái)實(shí)現(xiàn)。要理解的是，可以形成在使用良好連接孔的微生物方面的特定優(yōu)點(diǎn)。相反，化學(xué)試劑通常提高沒(méi)有良好連接的孔隙。
雖然擠出步驟對(duì)于形成模仿的松質(zhì)骨或骨密質(zhì)結(jié)構(gòu)而言不是必要的，但是如果人工移植骨要用在承受負(fù)載的用途中的話(huà)，則它通常是必要的。這是因?yàn)?，天然承重骨例如股骨和髖關(guān)節(jié)的礦物組份具有一種管狀結(jié)構(gòu)而不是簡(jiǎn)單的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。該管狀多孔結(jié)構(gòu)的取向?qū)a(chǎn)生負(fù)載應(yīng)力分布，這導(dǎo)致承重骨比肋骨更堅(jiān)固。
然后使該混合物任意成型(在圖中的步驟4)。優(yōu)選的是，在一個(gè)優(yōu)選密封的模具中使它成型。模具的三維尺寸形狀可以采用計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)成像分析技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，從而該形狀可以復(fù)制病人的失去的骨結(jié)構(gòu)。一旦已經(jīng)將主體密封在模具中，則可以升高模具的溫度以便使得造孔劑能夠反應(yīng)并且形成孔隙。要理解的是，由造孔劑的膨脹所產(chǎn)生的力擠壓著陶瓷粉末的質(zhì)量。造孔劑的量與處理時(shí)間和處理溫度一起決定了最終產(chǎn)品的孔密度和機(jī)械強(qiáng)度。在優(yōu)化的處理溫度下完成該反應(yīng)所需要的總時(shí)間根據(jù)主體的尺寸通常為30-90分鐘，優(yōu)選為40-60分鐘，尤其優(yōu)選大約為45分鐘。
在步驟(iv)之前，如果使用水作為惰性液體的話(huà)，則優(yōu)選將主體的溫度降低到水的冰點(diǎn)以下(在圖中的步驟5)。優(yōu)選的是，將密封模具的溫度降低到大約-5℃至液氮溫度。冷凍步驟可以防止造孔劑進(jìn)一步反應(yīng)。由水形成冰而導(dǎo)致的膨脹進(jìn)一步提高了主體的多孔結(jié)構(gòu)。然后可以從該模具中除去該冷凍的試樣。
然后，一般來(lái)說(shuō)必須從主體中通常通過(guò)蒸發(fā)除去部分液體。這可以在真空腔室中實(shí)現(xiàn)，期間水或其它液體從表面蒸發(fā)出來(lái)并且穿過(guò)該密實(shí)體的水靜壓梯度形成用于使液體移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。該液體從主體的內(nèi)部通過(guò)多孔通道流向表面，從而產(chǎn)生更均勻的壓力。實(shí)際上，處理溫度、溫度上升的速度、真空壓力和升華過(guò)程的持續(xù)時(shí)間取決于主體的尺寸和形狀以及所采用的液體的特性。這些可以由常規(guī)試驗(yàn)來(lái)確定。
步驟(iv)的目的在于使工件穩(wěn)定(圖中的步驟6)。為此，通常要求預(yù)先加熱其中安放有工件的氛圍(它可以干燥或潤(rùn)濕)，通常為優(yōu)選受到濕度控制的爐子。例如100、130或150至230℃的溫度對(duì)于穩(wěn)定化而言通常是適合的。一般來(lái)說(shuō)，可以在1個(gè)小時(shí)內(nèi)通常為5-50分鐘例如15-45分鐘實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用蒸汽是有利的，因?yàn)樗ǔ?huì)引起有機(jī)粘合劑的聚合而不會(huì)在試樣的表面上形成微小裂紋，這種微裂紋可以由直接加熱方法所引起。這些裂紋在進(jìn)一步退火處理期間會(huì)保留或加深并且因此大大地減低了生產(chǎn)率。
一旦主體已經(jīng)穩(wěn)定，需要的話(huà)對(duì)它進(jìn)行機(jī)加工以消除任何不均勻的毛邊和/或調(diào)節(jié)工件的最終幾何形狀，從而使它與人工移植骨的所要求形狀相一致。
在步驟(v)中，對(duì)工件進(jìn)行加熱或烘焙，從而除去粘合劑以及任何殘留的造孔劑。一般來(lái)說(shuō)，為此需要400-1000℃的溫度。但是，這確實(shí)在一定程度上取決于所使用的粘合劑量以及所施加的加熱速度。由于這個(gè)加熱步驟通常導(dǎo)致產(chǎn)生含碳?xì)怏w，因此要理解的是，加熱應(yīng)該緩慢地進(jìn)行以使得這些氣體能夠通過(guò)相互連通的多孔通道從人工骨中分散出。如果這沒(méi)有完成，則聚集的氣體會(huì)形成足以對(duì)密實(shí)多孔結(jié)構(gòu)造成內(nèi)部損壞的壓力。一般來(lái)說(shuō)，加熱速度應(yīng)該不超過(guò)10℃/分鐘，通常不大于5℃/分鐘，并且為了得到大試樣可以盡可能低到1或2℃/分鐘。
除去粘合劑的步驟通常在不再看到有含碳?xì)怏w從該工件中出來(lái)時(shí)完成。
優(yōu)選的是，在這個(gè)加熱步驟之后，然后在高溫下通常為大約1200—約1450℃下對(duì)試樣進(jìn)行退火或燒結(jié)，以便實(shí)現(xiàn)必要的生物機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性(在圖中的步驟7)。同樣，加熱的溫度和持續(xù)時(shí)間取決于試樣的尺寸和最初的陶瓷濃度。應(yīng)該注意不要采用太高的溫度，因?yàn)檫@會(huì)引起這些小的相互連通的孔隙熔合，因此大孔開(kāi)始隔離。
在一些情況中，該產(chǎn)品雖然對(duì)于一些用途而言強(qiáng)度足夠但是對(duì)于其它用途而言則強(qiáng)度不夠。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)將產(chǎn)品浸入在由陶瓷粉末形成的陶瓷漿液通常為磷灰石中來(lái)提高它的強(qiáng)度，但是它不必與最初所使用的一樣。該漿液還應(yīng)該包含與最初所使用的相同或不同形式的分散劑。理想的是，該漿液在使用之前應(yīng)該進(jìn)行碾磨以便減小顆粒尺寸，例如平均尺寸從5μm降至1μm?？梢允乖摑{液靜置例如一個(gè)半小時(shí)以便使得大顆粒能夠沉淀。從所形成的懸浮液中倒出例如平均尺寸小于0.2μm的適當(dāng)顆粒。
浸入通常應(yīng)該持續(xù)至少0.5個(gè)小時(shí)，同時(shí)持續(xù)地對(duì)該漿液進(jìn)行攪拌。之后，最好使該漿液沸騰直到不再有任何氣泡從該試樣中逸出。根據(jù)試樣的尺寸，這通常需要10分鐘-1個(gè)小時(shí)。該過(guò)程確保試樣的微孔被磷灰石顆粒填滿(mǎn)。可以采用通過(guò)相互連通的大孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行的離心分離處理(例如速度為2500rpm-15000rpm)來(lái)除去任何多余的漿液和磷灰石顆粒。這個(gè)進(jìn)入步驟在必要時(shí)可以重復(fù)進(jìn)行。之后，使該試樣再次進(jìn)行退火步驟。
改善多孔結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度的另一種方法在于用聚合物優(yōu)選為可生物降解的聚合物例如聚己內(nèi)酯(PCL)來(lái)將它加強(qiáng)；該聚合物作為填充劑。為此，使該聚合物溶解在溶劑中以形成10-50wt％通常為20-40wt％的濃度，然后將該主體浸入在它中5分鐘至1個(gè)小時(shí)例如20分鐘。然后取出該主體并且進(jìn)行離心分離以除去多余的溶液。然后最好對(duì)這些試樣進(jìn)行加熱以使得任何阻塞這些孔的聚合物熔化。該過(guò)程在必要時(shí)可以反復(fù)進(jìn)行。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，該人工骨的一些或所有孔可以用作具有受控釋放機(jī)構(gòu)的藥物輸送系統(tǒng)。這通?？梢酝ㄟ^(guò)將人工骨浸入在具有所要求的細(xì)胞生長(zhǎng)因子或藥物的溶液中來(lái)實(shí)現(xiàn)。
目前，還沒(méi)有任何有效的藥物輸送機(jī)構(gòu)來(lái)將工程高分子量蛋白質(zhì)或酶輸送進(jìn)骨骼中。這可以通過(guò)本發(fā)明來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐浦补堑某叽缈梢赃M(jìn)行調(diào)節(jié)以適應(yīng)該分子。因此，這樣結(jié)合的高分子量工程蛋白質(zhì)或酶從移植骨中釋放出以刺激骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)，并且多孔矩陣可以引導(dǎo)造骨細(xì)胞進(jìn)行增殖和分化。因此，可以將包括轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF-β1)、骨骼形態(tài)形成蛋白質(zhì)(BMP-2)和生骨蛋白質(zhì)(OP-1)在內(nèi)的用于骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)的生長(zhǎng)因子以這樣的方式結(jié)合進(jìn)本發(fā)明的人工骨中。
可以結(jié)合的其它材料包括維生素例如維生素D和微量礦物質(zhì)例如可以以鹽的形式結(jié)合的鋅。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，這些分子可以與可生物降解聚合物一起結(jié)合進(jìn)這些孔中。該可生物降解聚合物有助于將活性分子固定在這些孔中同時(shí)改善該人工骨的強(qiáng)度。
為此可以使用的適當(dāng)?shù)目缮锝到饩酆衔锇ǖ矸弁ǔ橛衩椎矸郏蚱渌烊痪酆衔?，或這些聚合物與例如聚乙烯或聚(乳酸)或聚(乙醇酸)的混合物。一般來(lái)說(shuō)，非天然形成的組分含量應(yīng)該較低以避免出現(xiàn)任何可能的負(fù)面生物效果。但是可以使用淀粉和50wt％的低密度聚乙烯的混合物。
通過(guò)浸入從這些材料的溶液中提供活性化合物以及可生物降解的聚合物(如果使用的話(huà))。給人工移植骨施加輕微的真空是有用的，因?yàn)樗黾尤芤旱奈铡?br> 如果進(jìn)行這個(gè)浸入步驟幾次的話(huà)，則可以相當(dāng)顯著地提高人工骨的強(qiáng)度。通常可以通過(guò)離心分離來(lái)除去過(guò)多的可生物降解聚合物。
因此，要理解的是，本發(fā)明的人工移植骨可以用作用于生物體外組織工程自體移植的3-D構(gòu)架。
該方法的制造成本通常比現(xiàn)有的方法低得多，并且制造時(shí)間通常比其他方法更快。在正常的情況中，甚至可以在24小時(shí)以?xún)?nèi)生產(chǎn)出形狀不規(guī)則的大型試樣。因此，可以使它有序。例如，在上頜面手術(shù)之前，可以根據(jù)病人的三維骨架掃描圖像來(lái)形成移植骨的所要求形狀。因此，可以為每個(gè)病人單獨(dú)形成移植骨。
以下實(shí)施例是本發(fā)明的示例說(shuō)明。
然后將70克細(xì)小的篩選小麥粉和7克酵母細(xì)胞逐漸加入到該漿液中并且在混合器中打爛以形成可使用的塑料混合物。
A.沒(méi)有進(jìn)行擠出的試樣然后在沒(méi)有擠出成型的情況下將該混合物等分，并且將它們放在四個(gè)涂有特氟隆的沒(méi)有密封的有蓋培養(yǎng)皿中。然后將這些有蓋培養(yǎng)皿轉(zhuǎn)移到處于28-30℃下的溫度受控的恒溫箱中。在恒溫箱中的時(shí)間從15分鐘到1個(gè)小時(shí)分四次，并且每次具有15分鐘的增量。在每個(gè)階段的最后，將其中一個(gè)有蓋培養(yǎng)皿逐漸減低到液態(tài)氮的溫度以使生物反應(yīng)停止并且準(zhǔn)備下一步處理。
隨后在溫度為20℃并且壓力為10-1至10-3mmHg的冷凍干燥室中用2個(gè)小時(shí)從試樣中除去多余的水分。然后在溫度為200℃的爐子中使被干燥的試樣穩(wěn)定30分鐘。然后以每分鐘5℃的速度將這些被格式化的試樣在爐子中逐漸加熱并且保持在1000℃下以除去有機(jī)添加劑。隨后，在1250℃下對(duì)這些試樣進(jìn)行退火并且以每分鐘5℃的速度逐漸冷卻到室溫。
對(duì)每個(gè)燒結(jié)試樣的多孔結(jié)構(gòu)所進(jìn)行的光學(xué)顯微鏡檢測(cè)表明它們所有都具有幾乎與人松質(zhì)骨等同的多孔結(jié)構(gòu)。如在表1中所示一樣，孔和相互連通的孔隙直徑隨著保溫時(shí)間而逐漸增加。
B.通過(guò)擠出在混合過(guò)程之后，通過(guò)擠出單元使混合物前進(jìn)以形成圓柱形試樣。擠出單元的前模是兩個(gè)相連的圓筒，其直徑對(duì)于第一階段和第二階段而言分別為5cm和3cm。將孔眼為3mm的鋼網(wǎng)安裝在第二階段圓筒的兩個(gè)端部上。然后將該被擠出的混合物放在涂有特氟隆的沒(méi)有密封的板上。然后將該板與其混合物一起轉(zhuǎn)移到溫度為28-30℃的溫度受控的恒溫箱中30分鐘。然后，將該混合物轉(zhuǎn)移到溫度為-5℃的制冷器中2個(gè)小時(shí)，隨后在溫度為20℃并且壓力為10-1至10-3mmHg的冷凍干燥室中用兩個(gè)小時(shí)從試樣中升華多余的水分。格式化、燒制和退火處理與在部分A中所述的一樣。該試樣顯示出一種均勻的管狀多孔結(jié)構(gòu)，其孔隙直徑為長(zhǎng)800-1000μm并且平均直徑大約為200μm。平均直徑大約為200μm的互連孔在這些管狀大孔的端部處連接。該結(jié)構(gòu)對(duì)于骨骼向內(nèi)生長(zhǎng)和血管發(fā)育的引導(dǎo)而言是理想的。
C.通過(guò)密封的模制擠出方法與在部分B中所述的一樣。但是，在擠出過(guò)程中除去鋼網(wǎng)。將擠出的圓柱形試樣轉(zhuǎn)移到密封的圓筒形模具中。保溫過(guò)程和升華過(guò)程與在部分B中所述的那些一樣，并且格式化、燒制和退火過(guò)程與在部分A中所述的那些一樣。該試樣的橫斷面呈現(xiàn)出一種與人長(zhǎng)骨相似的結(jié)構(gòu)。一種密實(shí)結(jié)構(gòu)形成這些試樣的外殼；它包括一種由以同心層布置的Ca/P陶瓷制成的硬質(zhì)、實(shí)際上為實(shí)心的物質(zhì)。在這些試樣的中間發(fā)現(xiàn)與在松質(zhì)骨/海綿骨中所發(fā)現(xiàn)的類(lèi)似的多孔結(jié)構(gòu)；該孔隙直徑逐漸減小并且最終與密實(shí)結(jié)構(gòu)連接。
使用裝配有2.5KN的測(cè)力計(jì)和計(jì)算機(jī)遙控裝置的Lloyd桌上型測(cè)試機(jī)對(duì)這些試樣進(jìn)行機(jī)械測(cè)試。通過(guò)0.1mm每分鐘的十字頭速度將負(fù)載施加到這些試樣(平均試樣接觸面積為0.8cm2)上直到出現(xiàn)脆斷。在圖2中顯示出所得到的結(jié)果?？梢钥闯?，多孔HA試樣的壓縮強(qiáng)度隨著浸入時(shí)間的增加而增加。
通過(guò)放在60℃的爐子中使6克PCL在150cc玻璃燒杯中熔融。在固態(tài)PCL已經(jīng)熔融成清澈的粘性流體之后，加入20ml丙酮以溶解PC1并且形成液態(tài)溶液。該溶液的粘度為0.8835±0.025pas。然后將實(shí)施例1B的多孔試樣浸在溶液中并且通過(guò)將其安放在處于57℃的恒溫下的熱板上而保持沸騰。
在20分鐘之后，取出這些試樣并且進(jìn)行離心分離過(guò)程(速度為2500-15000rpm)以從互連大孔結(jié)構(gòu)中除去任何多余的溶液。然后將這些試樣放在60℃的爐子中以使在大孔結(jié)構(gòu)中任何阻塞的PCL熔融，并且重復(fù)進(jìn)行離心分離過(guò)程。
進(jìn)行實(shí)施例2的機(jī)械測(cè)試。所得到的結(jié)果如在圖3中所示一樣?？梢钥闯觯琍CL加強(qiáng)的HA試樣具有顯著增強(qiáng)的壓縮強(qiáng)度。
在浸入過(guò)程之前根據(jù)ASTMC134標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量出的測(cè)試試樣的孔特性如下
權(quán)利要求
1.一種用于制備人工骨的方法，該方法包括(i)在惰性液體中制備出細(xì)分的生物相容陶瓷粉末、有機(jī)粘合劑和造孔劑的混合物以形成主體，并且使得造孔劑中的至少一些沿著共同軸線(xiàn)排列；(ii)任意地使所得到的主體成型；(iii)使得造孔劑在主體中形成多孔結(jié)構(gòu)；(iv)將成型的主體加熱到足以使多孔結(jié)構(gòu)定型的溫度上；并且(v)進(jìn)一步加熱所述主體以消除殘余的有機(jī)粘合劑和造孔劑并且使它熔化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述陶瓷粉末為磷酸鈣。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述陶瓷粉末為α或β磷酸三鈣。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述磷酸鈣為羥基磷灰石。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述粉末的平均顆粒尺寸不超過(guò)100微米。
6.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述有機(jī)粘合劑為碳水化合物粉末。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述有機(jī)粘合劑為玉米粉或小麥粉。
8.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述造孔劑為酵母、二磷酸二鈉或碳酸氫鈉。
9.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述惰性液體為水。
10.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中首先獲得一種陶瓷粉末的漿液，并且在其中加入有機(jī)粘合劑和造孔劑。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中通過(guò)碾磨、任選利用碾磨劑來(lái)獲得所述陶瓷粉末漿液。
12.如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中將一種分散劑與所述陶瓷粉末結(jié)合在一起。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述分散劑是一種氨溶液、一種正磷酸、或丙烯酸和/或甲基丙烯酸聚合物。
14.如權(quán)利要求10-12中任一項(xiàng)所述的方法，其中在密封裝有氧氣的腔室中將所述有機(jī)粘合劑和造孔劑均勻地分散在漿液中。
15.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)擠出主體在步驟(i)中排列造孔劑。
16.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中使用模具使所述主體成型。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述惰性液體是水，并且使所述密封模具冷卻到冰點(diǎn)以下，由此來(lái)增強(qiáng)主體的多孔結(jié)構(gòu)。
18.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟(ii)之后從主體中除去惰性液體。
19.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在100-230℃的溫度下進(jìn)行步驟(iv)。
20.如權(quán)利要求1-18中任一項(xiàng)所述的方法，其中步驟(iv)包括使工件經(jīng)受蒸汽處理。
21.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)以不超過(guò)10℃每分鐘的速度加熱到400-1000℃來(lái)進(jìn)行步驟(v)。
22.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在步驟(v)之后在大約為1450℃的溫度下對(duì)所述主體進(jìn)行退火。
23.如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中將步驟(v)的產(chǎn)品浸泡在陶瓷漿液中，然后使該漿液沸騰，并且通過(guò)離心分離取出所得到的主體。
24.如在實(shí)施例中任一個(gè)所述的根據(jù)權(quán)利要求1的方法。
25.通過(guò)如前面權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法制備出的人工骨。
26.如權(quán)利要求25所述的人工骨，它包括一種或多種蛋白質(zhì)、維生素或微量元素或礦物質(zhì)。
27.如權(quán)利要求26所述的人工骨，它還包括一種可生物降解的聚合物。
全文摘要
一種用于制造人工骨的方法，該方法包括(i)在惰性液體中制備出細(xì)分的生物相容陶瓷粉末、有機(jī)粘合劑和造孔劑的混合物以形成主體，并且使得造孔劑中的至少一些沿著共同軸線(xiàn)排列；(ii)任意地使所得到的主體成型；(iii)使得造孔劑在主體中形成多孔結(jié)構(gòu)；(iv)將成型的主體加熱到足以使多孔結(jié)構(gòu)定型的溫度上；并且(v)進(jìn)一步加熱所述主體以消除殘余的有機(jī)粘合劑和造孔劑并且使它熔化。
文檔編號(hào)A61F2/28GK1446109SQ0181386
公開(kāi)日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2001年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月4日
發(fā)明者羅偉仁 申請(qǐng)人:歐健有限公司