專利名稱：用于醫(yī)療植入物用途的網(wǎng)狀顆粒多孔涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含燒結(jié)網(wǎng)狀顆粒多孔涂層的新多孔結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)在其中多孔結(jié)構(gòu)是 有用的，但是將尤其用作將促進(jìn)組織向內(nèi)生長至植入物內(nèi)的醫(yī)療植入物材料一部分的任何 應(yīng)用中是有用的。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的組織向內(nèi)生長技術(shù)在各種醫(yī)療植入物應(yīng)用中幫助恢復(fù)形式和功能方面是 相對成功的。然而，在一些患者、病癥或情況中，它們不是理想的解決方案。傳統(tǒng)技術(shù)已經(jīng) 趨向于具有相對低的孔隙率、低的長期強(qiáng)度、高的剛性、差的初始穩(wěn)定性或者限制它們適合 用于寬范圍期望應(yīng)用的其它問題。 尤其是正需要改善的骨向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)作為骨生長支架或附接可植入醫(yī)療器械的 機(jī)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)提供了允許血管形成和新骨向內(nèi)生長的多孔構(gòu)架，和提供骨祖細(xì)胞與骨 生長誘導(dǎo)因子的相容性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)是理想的。多孔結(jié)構(gòu)的孔隙和間隙提供了用于骨向內(nèi)生 長的表面，從而使用于修復(fù)或置換骨組織或者在關(guān)節(jié)置換應(yīng)用中的永久性植入物能夠骨骼 固定。植入物可為常規(guī)的全關(guān)節(jié)置換例如全髖關(guān)節(jié)成形術(shù)、全膝關(guān)節(jié)成形術(shù)等，或者部分關(guān) 節(jié)置換例如半髖關(guān)節(jié)成形術(shù)。本領(lǐng)域已知許多特性對于成功的骨向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)是重要的。 這些特性包括允許骨向內(nèi)生長的孔隙率、生物相容性、與周圍骨的緊密接觸和足夠的早期 穩(wěn)定性。理想的向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)應(yīng)具有與骨的相當(dāng)良好的強(qiáng)度和延展性以及剛性。技術(shù)也應(yīng) 理想地適合于易于制備精確尺寸的植入物，并且允許制備附接至固體植入物基體的厚的獨(dú) 立整體形式或薄的涂層。 對于成功的向內(nèi)生長的一個(gè)重要要求是植入物材料鄰近健康骨放置。當(dāng)其被置于 與健康骨物理接觸時(shí)，骨傳導(dǎo)性或骨生長促進(jìn)性多孔結(jié)構(gòu)將支撐骨組織的向內(nèi)生長。與健 康骨接近允許成骨細(xì)胞和血管浸潤，這對骨向內(nèi)生長是必要的。 已進(jìn)行多種努力來開發(fā)和制造合成多孔植入物，該植入物具有促進(jìn)骨向內(nèi)生長要 求的合適的物理特性。在最近的二十年已廣泛研究了具有金屬、陶瓷、聚合物或復(fù)合材料多 孔表面的植入物。 在醫(yī)療植入物表面上使用燒結(jié)珠以提供表面孔隙率和促進(jìn)骨向內(nèi)生長是已知 的(美國專利第3855638號)。然而，這些技術(shù)導(dǎo)致了裝置，該裝置具有相對低的孔隙率 (< 40% )和相對平滑的外表面，這造成了與鄰近骨的"差的咬合"。盡管對于一些植入物 應(yīng)用來講是足夠的，但是這些特性對許多更具有挑戰(zhàn)性的向內(nèi)生長應(yīng)用來講沒有提供最佳 的解決方案。 早期的努力也包括使用纖維金屬網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料(美國專利第3906550號)。盡管 其可產(chǎn)生更大的孔隙率( 50%)，但是仍然比需要的低。纖維金屬網(wǎng)絡(luò)也具有相對平滑的外表面，這造成了與鄰近骨的"差的咬合"。而且，所產(chǎn)生的向內(nèi)生長性能不象許多更具有 挑戰(zhàn)性的向內(nèi)生長應(yīng)用期望的那樣大。 另外，已經(jīng)使用等離子體噴涂的鈦醫(yī)療植入物(美國專利第3605123號)。這些植 入物具有非常低的孔隙率和相對低的附接強(qiáng)度。因?yàn)榭紫堵屎透浇訌?qiáng)度對于醫(yī)療植入物是 重要的特性，因此不認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)對多孔向內(nèi)生長應(yīng)用是最佳的。 也已經(jīng)使用燒結(jié)的不對稱粉末復(fù)合材料(美國專利第4206516號)。盡管這些復(fù) 合材料顯示了適度的孔隙率(約60 % )，但是它們比燒結(jié)珠具有更低的附接強(qiáng)度，這在一些 醫(yī)療植入物應(yīng)用中可能是不利的。 也已經(jīng)使用犧牲第二相復(fù)合材料例如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的鈦TM和孔隙金屬復(fù)合材料(美 國專利第3852045號)來解決對多孔構(gòu)架的需要，該多孔構(gòu)架允許再血管化以及新骨生長。 這些技術(shù)要求復(fù)雜的制備方法和具有相對平滑的外表面，這造成與鄰近骨的"差的咬合"。 這些復(fù)合材料也具有相對低的附接強(qiáng)度。 也已經(jīng)使用整體鑄塑多孔結(jié)構(gòu)(美國專利第4781721號)。在這些復(fù)合材料中，多 孔表面與基體同時(shí)鑄塑。得到的優(yōu)勢是沒有突變的界面(即由于方法不是沉積法，所以附 接問題被減至最小)。這些復(fù)合材料趨向于具有比期望的更大的結(jié)構(gòu)特征和孔，并且僅可由 與所使用的鑄塑方法相容的材料制備。 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)已用于在醫(yī)療植入物上產(chǎn)生多孔構(gòu)架。然而，這些技術(shù)已經(jīng) 證明過于昂貴并且難以用于產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)。 幾種金屬化網(wǎng)狀支架的方法已經(jīng)用于醫(yī)療植入物應(yīng)用中，但是這些方法趨向于相 對昂貴，結(jié)果形成具有相對大孔和相對低比表面積的復(fù)合材料，或者難以附接至非平面的 表面。 一項(xiàng)這樣的技術(shù)采用化學(xué)氣相沉積以將鉭涂覆至網(wǎng)狀透明的碳骨架結(jié)構(gòu)元件上(美 國專利第5282861號)。該方法非常昂貴，并且涉及到危險(xiǎn)化學(xué)品，使之成為較不期望的選 擇。另外，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)難以附接至固體植入物表面，限制了其用于寬范圍的各種應(yīng)用中。
在多孔組織向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)的開發(fā)中存在改進(jìn)的空間。期望具有多孔組織向內(nèi)生 長結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)比制備容易和相對廉價(jià)的目前可得到的結(jié)構(gòu)具有更理想的形態(tài)學(xué)和機(jī)械特 性，并可用于寬范圍的各種組織向內(nèi)生長應(yīng)用中。
發(fā)明簡述 本發(fā)明涉及復(fù)合材料、由所述復(fù)合材料得到的醫(yī)療植入物及其制備方法。這些復(fù) 合材料包括多孔-涂覆的基體、包含網(wǎng)狀顆粒涂層的多孔涂層，所述涂層通過將網(wǎng)狀顆粒 融合至表面，優(yōu)選通過燒結(jié)形成。 在本發(fā)明的某些實(shí)施方案中，存在用于細(xì)胞和組織向內(nèi)生長的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該
結(jié)構(gòu)包含組成單一連續(xù)復(fù)合材料的融合、不同的三維網(wǎng)狀元件。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀元件各自包含不多于一個(gè)不同的晶胞。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀元件沒有不同的晶胞。 在某些實(shí)施方案中，多孔結(jié)構(gòu)包含具有50-1000 iim之間孔徑大小的孔。 在某些實(shí)施方案中，多孔結(jié)構(gòu)包含具有100-500 iim之間孔徑大小的孔。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀元件包含選自金屬、陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、復(fù)合
材料或其任何組合的材料。
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在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀元件包含選自鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭
合金、鈷_鉻_鉬合金或其任何組合的材料。 在某些實(shí)施方案中，多孔結(jié)構(gòu)還包含固體基體。 在某些具有固體基體的實(shí)施方案中，所述固體基體包含選自金屬、陶瓷及其任何 組合的材料。 在某些具有固體基體的實(shí)施方案中，所述多孔結(jié)構(gòu)覆蓋了固體基體的至少一部分
表面，并且多孔結(jié)構(gòu)和固體基體形成可植入醫(yī)療植入物的至少一部分。 在可植入醫(yī)療植入物的某些實(shí)施方案中，可植入醫(yī)療植入物為矯形外科植入物。 在矯形外科植入物的某些實(shí)施方案中，矯形外科植入物為髖植入物或膝植入物。 在另一個(gè)實(shí)施方案中，存在一種產(chǎn)生用于細(xì)胞和組織向內(nèi)生長的多孔結(jié)構(gòu)的方
法，所述方法包括以下步驟將許多三維網(wǎng)狀顆粒排列成一定形狀，和在其中一個(gè)或多個(gè)顆
粒與一個(gè)或多個(gè)其它顆粒接觸的點(diǎn)，將網(wǎng)狀顆粒融合以形成單一連續(xù)的復(fù)合材料。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒包含不多于一個(gè)不同的晶胞。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒沒有不同的晶胞。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒具有50-1000 ii m之間的窗口直徑。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒具有100-500 iim之間的窗口直徑。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒包含選自金屬、陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、復(fù)合
材料及其任何組合的材料。 在某些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒由選自鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合 金、鈷_鉻_鉬合金及其任何組合的材料組成。 在某些實(shí)施方案中，將網(wǎng)狀顆粒融合的步驟包括用選自膠合、燒結(jié)、釬焊、熔化、焊 接及其任何組合的技術(shù)，將網(wǎng)狀顆粒融合。 在某些實(shí)施方案中，使所述網(wǎng)狀顆粒融合的步驟包括將所述網(wǎng)狀顆粒燒結(jié)。
在某些實(shí)施方案中，所述方法還包括使所述網(wǎng)狀顆粒融合到固體基體的步驟。
在其中網(wǎng)狀顆粒被融合到固體基體的某些實(shí)施方案中，所述方法還包括由融合的 網(wǎng)狀顆粒和固體基體形成可植入醫(yī)療植入物的步驟。 在某些實(shí)施方案中，形成可植入醫(yī)療植入物的步驟包括形成髖植入物或膝植入 物。 在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，存在一種產(chǎn)生具有不多于一個(gè)晶胞的三維網(wǎng)狀顆
粒的方法，所述方法包括以下步驟提供三維網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)；將整體結(jié)構(gòu)分割以產(chǎn)生離散
的網(wǎng)狀顆粒；和基于整體結(jié)構(gòu)的初始晶胞直徑，根據(jù)大小分離離散的網(wǎng)狀顆粒。 在某些實(shí)施方案中，所述方法還包括在所述分割步驟之前使所述整體結(jié)構(gòu)脆化的步驟。 在某些實(shí)施方案中，脆化步驟通過低溫處理實(shí)現(xiàn)。
在某些實(shí)施方案中，脆化步驟通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。 在某些實(shí)施方案中，可逆的化學(xué)反應(yīng)為氫化/脫氫(hydride/dehydride)方法。
在某些實(shí)施方案中，將所述整體結(jié)構(gòu)分割的步驟包括將所述整體結(jié)構(gòu)壓碎。
在某些實(shí)施方案中，三維網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)包含來自整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碎片。
為了可以更好地理解隨后的本發(fā)明詳述，上文已經(jīng)概述了本發(fā)明相當(dāng)廣泛的特征
6和技術(shù)優(yōu)勢。本發(fā)明的另外特征和優(yōu)勢將在下文描述，其形成了本發(fā)明權(quán)利要求的主題。應(yīng) 該認(rèn)識到，為了實(shí)施本發(fā)明的相同目的，所公開的概念和具體實(shí)施方案可容易的用作修改 或設(shè)計(jì)其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。也應(yīng)該認(rèn)識到，這樣的等同構(gòu)造沒有背離在權(quán)利要求中描述的本 發(fā)明。當(dāng)與附圖聯(lián)系在一起來考慮時(shí)，確信為本發(fā)明特征的關(guān)于其組織和操作方法兩者的 新特征，與進(jìn)一步的目標(biāo)和優(yōu)勢一起，將從以下描述中得到更好地理解。然而，應(yīng)該清楚地 理解，各圖僅為了舉例說明和描述的目的提供，并且無意限定本發(fā)明的范圍。
附圖簡述 為了更完全地理解本發(fā)明，現(xiàn)在結(jié)合附圖來參考以下描述，其中

圖1為通過將一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)狀金屬顆粒層燒結(jié)在一起產(chǎn)生的整體多孔組織向內(nèi)
生長結(jié)構(gòu)的圖解說明。 圖2為通過燒結(jié)一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)狀金屬顆粒層，在固體植入物表面上產(chǎn)生的多孔組 織向內(nèi)生長涂層的圖解說明。 圖3為通過壓碎材料例如網(wǎng)狀金屬或陶瓷泡沫，使整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分割為網(wǎng)狀顆粒 的一種方法的圖解說明。 圖4為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的單晶胞的圖解說明。 圖5為支柱(struts)的圖解說明，且結(jié)點(diǎn)為網(wǎng)狀元件的部分。 圖6為現(xiàn)有技術(shù)關(guān)于非平面表面的缺陷的圖解說明，該缺陷被本發(fā)明克服。 圖7比較了包含不同網(wǎng)狀顆粒的結(jié)構(gòu)與顆粒由其產(chǎn)生的初始連續(xù)的網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)。
發(fā)明詳述 如本文使用，"一個(gè)"和"一種"包括單數(shù)和復(fù)數(shù)兩者，并且表示一個(gè)或多于一個(gè)。 通常本文中，單數(shù)包括復(fù)數(shù)，并且復(fù)數(shù)包括單數(shù)，除非另外指明，或者根據(jù)上下文是顯而易 見的。 如本文使用，術(shù)語"網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)"表示具有開孔的互連網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，該開孔通過連續(xù)
排列的支柱和結(jié)點(diǎn)限定。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通?？擅枋鰹榫哂虚_孔的泡沫或海綿樣形式。 如本文使用，術(shù)語"支柱"表示在開孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中窗口 (fenestrations)之間的
材料邊界。 如本文使用，術(shù)語"結(jié)點(diǎn)"表示在開孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中許多支柱的交叉位置。 如本文使用，術(shù)語"末端支柱"表示與僅一個(gè)結(jié)點(diǎn)結(jié)合的支柱。在典型的整體網(wǎng)狀
結(jié)構(gòu)中，末端支柱僅存在于其中結(jié)構(gòu)已經(jīng)被切開的整體結(jié)構(gòu)的表面中。 如本文使用，術(shù)語"末端結(jié)點(diǎn)"表示支柱僅在一側(cè)由其發(fā)散的結(jié)點(diǎn)。在典型的整體
網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，末端結(jié)點(diǎn)僅存在于其中結(jié)構(gòu)已經(jīng)被切開的整體結(jié)構(gòu)的表面中。 如本文使用，術(shù)語"窗口"通常表示與開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的兩個(gè)晶胞連接的圓形開孔，
該圓形開孔通過多邊形(一般為五邊形或六邊形)排列的支柱與結(jié)點(diǎn)限定。 如本文使用，術(shù)語"晶胞"通常表示網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中球形空隙空間，其通過多面體(一
般為十二面體)排列的支柱與結(jié)點(diǎn)限定。 如本文使用，術(shù)語"不同的晶胞"表示支柱與結(jié)點(diǎn)的連續(xù)陣列，該支柱與結(jié)點(diǎn)組成多面體的至少一半，該多面體將構(gòu)成該結(jié)構(gòu)的晶胞。 如本文使用，術(shù)語"網(wǎng)狀元件"表示形態(tài)不同的三維支柱與結(jié)點(diǎn)型結(jié)構(gòu)，其包含1) 至少一個(gè)結(jié)點(diǎn)與至少三個(gè)支柱，其坐標(biāo)軸不全部落在同一平面內(nèi)，或者2)至少兩個(gè)結(jié)點(diǎn)與 至少三個(gè)支柱。網(wǎng)狀元件通過限定其范圍的末端支柱或末端結(jié)點(diǎn)的存在進(jìn)行區(qū)別。網(wǎng)狀元 件可以為或可以不為較大連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分，其中通過各元件的范圍限定的體積可重疊。
如本文使用，術(shù)語"網(wǎng)狀顆粒"表示其不為較大連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分的網(wǎng)狀元件。
如本文使用，術(shù)語"與-一 融合"或"融合"或者表達(dá)"融合至"表示兩種不同的聚 集體連接成實(shí)質(zhì)上連續(xù)的單一整體。"實(shí)質(zhì)上連續(xù)的"表示通過物質(zhì)的相互作用連接而不僅 僅是通過物理接觸連接；即不是例如由于與其它材料線纏繞的材料線引起的機(jī)械連接。這 可通過包括但不限于膠合、燒結(jié)、釬焊、熔化、焊接等的任何方法和其中聚集體通過物質(zhì)的 相互作用而不僅僅是機(jī)械的相互作用連接的其它方法實(shí)現(xiàn)。 在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，以上所述已知技術(shù)的缺點(diǎn)被克服或改善。在其他的 實(shí)施方案中，提供了易于產(chǎn)生任何形狀的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案 提供了同時(shí)使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成和附接在波形固體表面上的方法。在其他的實(shí)施方案中，提供 了用于產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的方法，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本上開放和相互連接，且其可具有比用已知技 術(shù)可能具有的更小的孔徑大小。 本發(fā)明涉及多孔組織向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)，其優(yōu)選用于醫(yī)療植入物應(yīng)用，通過將一個(gè)或 多個(gè)網(wǎng)狀顆粒層融合在一起產(chǎn)生。顯示通過將一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)狀顆粒層融合在一起產(chǎn)生的獨(dú) 立整體多孔組織向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)的圖解說明顯示在圖1中。顯示通過將一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)狀顆粒 層相互和與固體基體融合在一起，在固體基體表面上產(chǎn)生的多孔組織向內(nèi)生長結(jié)構(gòu)的圖解 說明顯示在圖2中。 在圖1中顯示的一個(gè)示例性實(shí)施方案中，將網(wǎng)狀金屬顆粒1形成為一定形狀并燒 結(jié)，以在與其它顆粒接觸的點(diǎn)與顆粒粘合，形成單一連續(xù)的多孔復(fù)合材料；在圖1中舉例說 明的實(shí)例中為楔形復(fù)合材料4。 在圖2中顯示的另一個(gè)實(shí)施方案中，將網(wǎng)狀金屬顆粒1涂布到固體金屬基體7的 表面并燒結(jié)，以在各接觸點(diǎn)將顆粒粘合至其它顆粒和表面，形成包含單一連續(xù)多孔復(fù)合材 料12的最終產(chǎn)物ll，該復(fù)合材料12附接至固體基體7的表面。 用于產(chǎn)生最終復(fù)合材料和裝置的網(wǎng)狀顆粒可由任何一種或多種材料組成，并通過 本領(lǐng)域已知的任何方法形成。優(yōu)選，這通過網(wǎng)狀金屬或陶瓷泡沫的分割實(shí)現(xiàn)?；蛘?，這可 通過將網(wǎng)狀前體分割為金屬或陶瓷泡沫來實(shí)現(xiàn)，例如金屬或陶瓷粉末填充的網(wǎng)狀聚合物泡 沫，其被進(jìn)一步加工成為復(fù)合材料的網(wǎng)狀顆粒，該復(fù)合材料衍生自粉末狀填充材料?；蛘?， 這可通過第一種網(wǎng)狀支架復(fù)合材料的分割來實(shí)現(xiàn)，該網(wǎng)狀支架復(fù)合材料隨后用第二種涂布 復(fù)合材料涂布。該涂層可用化學(xué)氣相沉積、物理氣相沉積、粉末涂布、淤漿涂布、溶膠-凝膠 涂布、電鍍或其它合適的涂布方法來涂布。 分割可通過本領(lǐng)域已知的任何方法實(shí)現(xiàn)。其一個(gè)實(shí)例的圖解說明顯示在圖3中。 優(yōu)選，這通過采用一個(gè)或多個(gè)碾壓輥18將材料15壓碎(作為非限定性實(shí)例，其可為網(wǎng)狀金 屬或陶瓷泡沫)，產(chǎn)生網(wǎng)狀顆粒1實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)實(shí)施方案中，理想尺寸范圍的網(wǎng)狀陶瓷顆粒 的產(chǎn)生通過沿特定方向，在一組輥之間壓碎網(wǎng)狀陶瓷泡沫來實(shí)現(xiàn)(有或沒有送料系統(tǒng)的傳 送帶或輥的幫助來推進(jìn)泡沫通過該組碾壓輥)。這見圖3中圖示?；蛘撸@可通過碾磨、斬碎或切削所述材料實(shí)現(xiàn)。分割的其它方法可包括向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)施加聲波能量和/或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的控制爆炸?？梢灶A(yù)見本文中可適用于本發(fā)明的分割也可通過以后開發(fā)的分割方法和工藝來實(shí)現(xiàn)。 為了使得更適合于分割，在分割之前，可通過可逆方法，使由易延展性材料制備的泡沫暫時(shí)更易碎。例如，可將易延展性鈦泡沫在分割之前氫化，以使得更易碎。在這之后，可在所述結(jié)構(gòu)的燒結(jié)期間(或者在所述結(jié)構(gòu)的燒結(jié)之前，獨(dú)立的脫氫步驟期間)，通過脫氫以恢復(fù)初始鈦泡沫的易延展性特性。同樣，在室溫下為易延展性或彈性的泡沫也可通過在分割前暴露于非常低的溫度例如通過暴露于低溫的復(fù)合材料，使得暫時(shí)更易碎。然后，可使所述結(jié)構(gòu)回復(fù)到室溫，以恢復(fù)初始泡沫的易延展性或彈性特性。 網(wǎng)狀開孔整體結(jié)構(gòu)由支柱的排列組成，該支柱通過其中三個(gè)或多個(gè)這些支柱交會的結(jié)點(diǎn)連接。該結(jié)構(gòu)見圖4中圖示。在該結(jié)構(gòu)中的空隙空間由大致球形的多面體晶胞27組成，該晶胞27通過開放窗或窗口 30相互連接，該開放窗或窗口 30通常通過處于同一平面內(nèi)的5-7個(gè)(或其它數(shù)目)支柱形成。支柱21形成窗口之間的邊緣，而結(jié)點(diǎn)24在許多支柱相交的地方。在圖5中提供了"支柱"與"結(jié)點(diǎn)"的進(jìn)一步圖解說明，顯示了在網(wǎng)狀元件32和33部分中的支柱21和結(jié)點(diǎn)24。在圖4中顯示的示例性窗口 30為五邊形，但是可考慮大約為"圓形"。按該方式，該窗口的"直徑"從一個(gè)支柱通過窗口向?qū)γ娴?即非相鄰)支柱測量。網(wǎng)狀開孔整體結(jié)構(gòu)的孔徑大小的特征在于晶胞的直徑與窗口直徑兩者。對于本領(lǐng)域已知的許多技術(shù)，在制備網(wǎng)狀開孔整體結(jié)構(gòu)中存在財(cái)政或技術(shù)上的挑戰(zhàn)，該整體結(jié)構(gòu)具有對于組織向內(nèi)生長認(rèn)為是理想的足夠小的孔徑大小。另外，為了這個(gè)目的，就本發(fā)明人所知道的，包含組成單一連續(xù)復(fù)合材料的融合的不同三維網(wǎng)狀元件的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是未知的。然而，分割具有較大孔徑大小的網(wǎng)狀開孔整體結(jié)構(gòu)減少或消除了較大直徑晶胞的數(shù)目，產(chǎn)生其中孔徑大小由較小窗口直徑占有優(yōu)勢的顆粒。本發(fā)明的一個(gè)目的是能夠使用不太昂貴和易于制備具有較大晶胞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生具有期望范圍內(nèi)的孔徑大小的最終結(jié)構(gòu)。
制備金屬或陶瓷網(wǎng)狀泡沫或結(jié)構(gòu)的任何方法可用于本發(fā)明。先前已經(jīng)采用幾種方法制備開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在一種這樣的通用方法中，可燒結(jié)粉末與可起泡樹脂或樹脂系統(tǒng)混合。在起泡后，樹脂中的表面張力促使粉末進(jìn)入泡沫的支柱和結(jié)點(diǎn)區(qū)域，并且薄的樹脂窗將泡沫的晶胞分離。然后，將得到的閉合孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)加熱，以揮發(fā)或燒盡樹脂，并將剩余的粉末燒結(jié)成為開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(美國專利第1919730、2917384、3078552、3833386、4569821、5171720、5213612、5976454和6087024號)。在另一種方法中，使用一種開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生蠟?zāi)ｈT造，以在不同的材料中形成相同的結(jié)構(gòu)。在該方法中，根據(jù)起始結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征制備凹模，并且通常通過燃燒、揮發(fā)、熔化或其它方法破壞性地除去起始結(jié)構(gòu)。然后將流體材料注入空出的腔中并固化，并且破壞性地除去凹模，剩下最終的開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有源自流體材料的化學(xué)(美國專利第3616841、3946039、4235277、4600546和4781721號)。在另一類方法中，開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)用作支架。在一種這樣的方法中，支架使含有可燒結(jié)粉末的淤漿滲入。然后除去過量的淤漿，在支架的所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件上剩下均勻的薄涂層。然后將結(jié)構(gòu)加熱以燒結(jié)涂層，產(chǎn)生具有源自可燒結(jié)粉末材料的化學(xué)的開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(美國專利第3090094、3097930、3111396、3408180、4004933、4024212、4056586、4371484、4517069、4803025、4866011、5531955、5839049、6387149、6840978和6977095號)。在該方法的一些變體中，在燒結(jié)期間除去初始支架，而在其他變體中支架保留在最終產(chǎn)物中(美國專利第5185297號)。在該方法的一些變體中，淤漿涂布步驟被先用粘合劑，然后用干燥的可燒結(jié)粉末涂布結(jié)構(gòu)代替(美國專利第5531955、5881353和6706239號)。上述僅為制備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的通常已知方法的示例性和非限定性實(shí)例，該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可用作制備本發(fā)明新型多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀金屬顆粒來源。預(yù)期其它方法和得到的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也將是可適用的，包括尚待開發(fā)的任何方法和得到的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 網(wǎng)狀顆?？扇绱诵纬桑蚩赏ㄟ^較大整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的分割產(chǎn)生。在某些情況下，網(wǎng)狀顆?？赏ㄟ^例如在整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、不滿足尺寸公差的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等的成型期間除去的無用材料或廢料的分割產(chǎn)生。否則，該無用材料一般被丟棄或者作為幾乎沒有至沒有價(jià)值的碎料處理，甚至可能以特殊儲存需要或處理費(fèi)用的形式招致成本?；厥諢o用材料或廢料的能力可表示顯著節(jié)省成本。 采用目前可得到的技術(shù)，難以產(chǎn)生高強(qiáng)度生物相容性網(wǎng)狀金屬泡沫，該泡沫具有期望的孔隙率、孔徑大小和表面積，且其可容易的應(yīng)用于寬范圍的植入物應(yīng)用中?，F(xiàn)有的技術(shù)不產(chǎn)生具有足夠強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，太昂貴以至于經(jīng)濟(jì)上不可行，限于產(chǎn)生其孔徑大小比認(rèn)為對骨向內(nèi)生長理想的大的結(jié)構(gòu)，或者技術(shù)上僅限于某些向內(nèi)生長應(yīng)用。 一些整體金屬泡沫可制備成具有期望的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)非常難以附接到固體植入物基體，尤其是當(dāng)植入物表面為非平面時(shí)。這已經(jīng)導(dǎo)致開發(fā)復(fù)雜的附接方法(美國專利申請公布號2005/0184134)。采用本發(fā)明的方法，可以以任何形狀或在任何表面上，容易的產(chǎn)生具有理想的孔隙率、孔徑大小和表面積的相對低成本、高強(qiáng)度的網(wǎng)狀金屬結(jié)構(gòu)或涂層。本發(fā)明的該優(yōu)勢可通過參照在圖6中所示現(xiàn)有技術(shù)來理解。如圖6中所示，采用現(xiàn)有技術(shù)的方法，使得到的多孔結(jié)構(gòu)35附接至非平面的表面傾向于導(dǎo)致如通過接觸45中的間隙所示的非最佳適合。通過將材料燒結(jié)到裝置的表面進(jìn)行涂布，附接泡沫材料的困難被克服，并且最終裝置中的接觸得到改善。 另外，相對于當(dāng)將整體泡沫材料附接至表面來產(chǎn)生多孔表面時(shí)產(chǎn)生的多孔層，所得到的多孔層具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。將網(wǎng)狀顆粒燒結(jié)到表面上產(chǎn)生多孔表面，導(dǎo)致具有許多小的不規(guī)則形狀晶胞的表面。圖7比較了本發(fā)明的融合網(wǎng)狀顆粒的結(jié)構(gòu)(大的圖像)與分割前初始整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的那些結(jié)構(gòu)(右上方圖像)。當(dāng)骨和組織向內(nèi)生長為主要目標(biāo)時(shí)，得到的表面將在醫(yī)療植入物應(yīng)用中顯示更好的性能。 該技術(shù)的適應(yīng)性來自于網(wǎng)狀顆粒，其可容易的制備成任何整體形式或者用于任何表面(類似于其它粉末冶金技術(shù))，仍然具有比采用固體金屬粉末顆粒產(chǎn)生的更大的孔隙率和孔徑大小。由于在燒結(jié)期間，在顆粒之間產(chǎn)生的密度增加和頸口 (necks)數(shù)目增加，與初始金屬泡沫的相比，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度也提高。 另一個(gè)優(yōu)勢是最終結(jié)構(gòu)具有比一般的整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更多的刻花表面。大多數(shù)整體網(wǎng)狀金屬結(jié)構(gòu)需要用導(dǎo)線電火花加工(EDM)成形，這產(chǎn)生相對光滑的表面。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的加工處理造成將表面孔封閉的金屬涂抹。因?yàn)槟壳暗母拍畈捎脝为?dú)的網(wǎng)狀顆粒，涂層可均勻地涂布，同時(shí)產(chǎn)生具有更佳摩擦特性的粗糙表面。 當(dāng)將網(wǎng)狀顆粒燒結(jié)到表面上為使顆粒彼此和與表面融合的優(yōu)選方法時(shí)，其它方法是可適用的，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在一些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆?？蔀榫酆衔锘蚓酆衔锝M合物(包含至少一種聚合物和至少一種非聚合物的復(fù)合材料)。在該情況下，融合可通過以下方法來實(shí)現(xiàn)通過除去溶劑使顆粒復(fù)合材料部分溶解在化學(xué)溶劑中，并使顆粒相互和與表面融合。盡管聚合物或聚合物組合物作為示例性實(shí)例提供，但是也可使用在化學(xué)溶劑中具有一定溶解性的其它材料是可能的。 通常認(rèn)為約50 m的最小孔徑大小對得到礦化的骨向內(nèi)生長是必要的。優(yōu)選最高達(dá)1000 m的孔徑大小。大于1000 m的孔徑大小在本發(fā)明中仍然是有用的，并且在其范圍內(nèi)，但是這樣大的尺寸較少優(yōu)選。因此，50-1000 ym之間的孔徑大小(或窗口直徑)為優(yōu)選的。相信在具有100-500踐范圍內(nèi)的孔徑大小的結(jié)構(gòu)中得到理想的骨向內(nèi)生長。因此，100-500 ym之間的孔徑大小(或窗口直徑)是甚至更優(yōu)選的。在一些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒包括選自金屬、陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、復(fù)合材料或其任何組合的材料。在一些實(shí)施方案中，網(wǎng)狀顆粒包括選自鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鈷_鉻_鉬合金或其任何組合的材料。 得到的復(fù)合材料為特殊的生物材料，當(dāng)鄰近骨或組織放置時(shí)，其開始用作假體，然后起正常組織再生的支架的功能。其滿足對植入物形態(tài)的需要，該植入物形態(tài)具有可精確控制的形狀，同時(shí)為細(xì)胞和組織向內(nèi)生長提供最佳的基體。另外，多孔結(jié)構(gòu)的物理和機(jī)械特性可根據(jù)現(xiàn)有的特定應(yīng)用來具體的定制。該新的植入物為用于矯形應(yīng)用，尤其是用于矯形植入物例如但不限于髖和膝植入物提供了可能性。作為自體移植物的有效替代品，其也將減少對手術(shù)獲得那些移植物的需要。 本文中所述開孔結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)勢是簡單地通過在表面材料涂布之前使基體材料成形，其可容易的成形為幾乎任何簡單或復(fù)雜的構(gòu)型。這有利于用于特殊應(yīng)用和位置的植入物的精確外形修復(fù)；促進(jìn)了準(zhǔn)確放置，并且防止了整體移動。另外，顯然手術(shù)時(shí)需要的任何最終造型/修整可采用常規(guī)牙科或手術(shù)時(shí)可得到的矯形設(shè)備，在最終裝置上實(shí)現(xiàn)。
如果可使植入物沿著整個(gè)界面固定不動(對于穩(wěn)定的錨定是必需的)，則骨折愈合和長期穩(wěn)定性的最佳條件可滿足，從而排除(最大可能程度的)對重構(gòu)過程的所有外部影響，并允許局部應(yīng)力/應(yīng)變場控制向內(nèi)生長。 在植入和開始組織向內(nèi)生長之后，在沒有保留輔助裝置的情況下泡沫裝置保持在其被放置的地方，反映了精密的外形修復(fù)和維管組織的快速向內(nèi)生長以防止移位。骨與植入物之間的結(jié)合使植入物穩(wěn)定，并防止松脫。因此這些植入物將不需要通過其它方法(例如縫合或粘結(jié)劑)保持在適當(dāng)?shù)奈恢?；而是，天然骨的向?nèi)生長通過植入物本身的性質(zhì)促進(jìn)。然而，在植入后直到已經(jīng)發(fā)生顯著量的向內(nèi)生長的一段時(shí)間內(nèi)，對于裝置保留，組織向內(nèi)生長將不是起作用的因素。 對于醫(yī)療植入物應(yīng)用，優(yōu)選用于形成多孔表面的網(wǎng)狀顆粒由生物相容性金屬或金
屬合金形成。此類生物相容性金屬或金屬合金的非限定性實(shí)例為鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、
鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鈷_鉻-鉬合金及其任何組合。或者，網(wǎng)狀顆粒可由生物相容性陶
瓷例如羥磷灰石、磷酸三鈣、生物活性玻璃及其任何組合形成?；蛘?，所述結(jié)構(gòu)可由不同材
料的網(wǎng)狀顆粒的混合物組成，或者網(wǎng)狀顆粒本身可由不同材料的混合物組成。 盡管本發(fā)明及其優(yōu)勢已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)描述，但是應(yīng)該理解本文中可進(jìn)行各種變
化、替代和變換，而不背離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明。另外，本申請的范圍將不限于在說明
書中描述的物質(zhì)、手段、方法和步驟的過程、機(jī)械、制造、組成的特定實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)
人員根據(jù)公開內(nèi)容可容易的認(rèn)識到，可使用現(xiàn)有的或以后開發(fā)的與本文中描述的相應(yīng)實(shí)施
方案執(zhí)行基本上相同的功能或獲得基本上相同的結(jié)果的物質(zhì)、手段、方法或步驟的過程、機(jī)
11械、制造、組成。因此，權(quán)利要求在它們的范圍內(nèi)將包括此類物質(zhì)、手段、方法或步驟的過程、機(jī)械、制造、組成。
權(quán)利要求
一種用于細(xì)胞和組織向內(nèi)生長的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所述多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包含許多不同的三維網(wǎng)狀元件，所述網(wǎng)狀元件各自融合至至少一個(gè)其它網(wǎng)狀元件，從而形成單一連續(xù)的復(fù)合材料。
2. 權(quán)利要求l的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀元件各自包含不多于一個(gè)不同的晶胞。
3. 權(quán)利要求l的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀元件沒有不同的晶胞。
4. 權(quán)利要求1的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔結(jié)構(gòu)包含具有50-1000 iim之間孔徑大小的孔。
5. 權(quán)利要求1的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔結(jié)構(gòu)包含具有100-500 iim之間孔徑大小的孔。
6. 權(quán)利要求l的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀元件包含選自金屬、陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、復(fù)合材料或其任何組合的材料。
7. 權(quán)利要求l的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀元件包含選自鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鈷_鉻_鉬合金或其任何組合的材料。
8. 權(quán)利要求l的多孔結(jié)構(gòu)，所述多孔結(jié)構(gòu)還包含固體基體。
9. 權(quán)利要求8的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述固體基體包含選自金屬、陶瓷及其任何組合的材料。
10. 權(quán)利要求8的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述多孔結(jié)構(gòu)覆蓋了所述固體基體的至少部分表面，并且所述多孔結(jié)構(gòu)和所述固體基體形成了可植入醫(yī)療植入物的至少一部分。
11. 權(quán)利要求10的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述可植入醫(yī)療植入物為矯形外科植入物。
12. 權(quán)利要求11的多孔結(jié)構(gòu)，其中所述矯形外科植入物為髖植入物或膝植入物。
13. —種用于產(chǎn)生用于細(xì)胞和組織向內(nèi)生長的多孔結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括以下步驟將許多三維網(wǎng)狀顆粒排列成一定形狀，禾口在其中一個(gè)或多個(gè)所述顆粒與一個(gè)或多個(gè)其它所述顆粒接觸的點(diǎn)，使所述網(wǎng)狀顆粒融合，以形成單一連續(xù)的復(fù)合材料。
14. 權(quán)利要求13的方法，其中所述網(wǎng)狀顆粒包含不多于一個(gè)不同的晶胞。
15. 權(quán)利要求13的方法，其中所述網(wǎng)狀顆粒沒有不同的晶胞。
16. 權(quán)利要求13的方法結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀顆粒具有50-1000 iim之間的窗口直徑。
17. 權(quán)利要求16的方法結(jié)構(gòu)，其中所述網(wǎng)狀顆粒具有100-500 iim之間的窗口直徑。
18. 權(quán)利要求13的方法，其中所述網(wǎng)狀顆粒包含選自金屬、陶瓷、玻璃、玻璃陶瓷、聚合物、復(fù)合材料及其任何組合的材料。
19. 權(quán)利要求13的方法，其中所述網(wǎng)狀顆粒由選自以下的材料組成鈦、鈦合金、鋯、鋯合金、鈮、鈮合金、鉭、鉭合金、鈷_鉻_鉬合金及其任何組合。
20. 權(quán)利要求13的方法，其中使所述網(wǎng)狀顆粒融合的所述步驟包括用選自膠合、燒結(jié)、釬焊、熔化、焊接及其任何組合的技術(shù)，使所述網(wǎng)狀顆粒融合。
21. 權(quán)利要求20的方法，其中使所述網(wǎng)狀顆粒融合的所述步驟包括將所述網(wǎng)狀顆粒燒結(jié)。
22. 權(quán)利要求13的方法，所述方法還包括使所述網(wǎng)狀顆粒融合到固體基體的步驟。
23. 權(quán)利要求22的方法，所述方法還包括由所述融合的網(wǎng)狀顆粒和固體基體形成可植入醫(yī)療植入物的步驟。
24. 權(quán)利要求23的方法，其中形成可植入醫(yī)療植入物的所述步驟包括形成髖植入物或 膝植入物。
25. —種用于產(chǎn)生具有不多于一個(gè)晶胞的三維網(wǎng)狀顆粒的方法，所述方法包括以下步 驟提供三維網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)；將所述整體結(jié)構(gòu)分割，以產(chǎn)生離散的網(wǎng)狀顆粒；禾口基于所述整體結(jié)構(gòu)的初始晶胞直徑，根據(jù)大小將所述離散的網(wǎng)狀顆粒分離。
26. 權(quán)利要求25的方法，所述方法還包括在所述分割步驟之前，使所述整體結(jié)構(gòu)脆化 的步驟。
27. 權(quán)利要求25的方法，其中所述脆化步驟通過低溫處理實(shí)現(xiàn)。
28. 權(quán)利要求25的方法，其中所述脆化步驟通過可逆化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
29. 權(quán)利要求28的方法，其中所述可逆化學(xué)反應(yīng)為氫化/脫氫方法。
30. 權(quán)利要求25的方法，其中將所述整體結(jié)構(gòu)分割的所述步驟包括將所述整體結(jié)構(gòu)壓碎。
31. 權(quán)利要求25的方法，其中所述三維網(wǎng)狀整體結(jié)構(gòu)包含來自整體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碎片。
全文摘要
描述了一種復(fù)合材料、由所述復(fù)合材料構(gòu)建的醫(yī)療植入物和制備所述復(fù)合材料的方法。所述復(fù)合材料包括多孔-涂覆的基體、包含網(wǎng)狀顆粒涂層的多孔涂層，所述涂層通過將網(wǎng)狀顆粒融合至表面，優(yōu)選通過燒結(jié)形成。
文檔編號A61L27/28GK101772357SQ200880102040
公開日2010年7月7日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者D·A·霍伊爾 申請人:史密夫和內(nèi)修有限公司