專利名稱：一種具有生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于脊柱融合內(nèi)固定領(lǐng)域，具體涉及一種具有生物活性的多孔鈦合金人頸椎間融合器及其制備。
背景技術(shù)：
頸椎退行性滑脫、椎間節(jié)段性不穩(wěn)和椎間盤源性疾病等是常見的脊柱外科疾病， 嚴重影響患者的生活和工作，對非手術(shù)治療無效者一般都需進行頸椎固定融合術(shù)。椎間融合手術(shù)已被公認對于這類疾病有較好療效。椎間融合常采用的材料主要有兩類①植骨材料，包括自體骨塊與異體骨塊移植；②替代材料，即椎間融合器(Interbody Fusion Cage)。既往椎間融合常采用單純自體骨塊移植，但自體取骨區(qū)并發(fā)癥高達10% -20%, 包括取骨區(qū)殘留疼痛、感染、感覺障礙等。異體骨塊移植雖然避免了取骨區(qū)并發(fā)癥，但存在免疫排斥反應(yīng)、感染艾滋病病毒、價格昂貴、異體骨被取代慢，新生骨體積小等不足，臨床應(yīng)用受至1J 限制。(Lelze EM, Hemmerle J, Vo egel JC, etal. Characterization and histological analyses of a coral—co llagen composite used for bone-replacement graft material :a report of c linical cases. J Mater Sci Mater Med. 1999 :10(1) 47-51.)為克服采用單純植骨材料進行椎間融合的不足，目前臨床主要使用頸椎間融合器進行頸椎間融合，主要包括鈦合金椎間融合器(Titanium Alloys-Cage)、聚醚醚酮椎間融合器(Poily Ether Ether Ketone-Cage，PEEK-Cage)、聚 D，L-乳酸椎間融合器(Poly-(D, L-Lactide) -Cage,PDLLA-Cage)。與單純植骨材料相比，椎間融合器可以有效地減少術(shù)中及術(shù)后并發(fā)癥、減少患者術(shù)后疼痛以及加快患者術(shù)后功能恢復(fù)。但是傳統(tǒng)的椎間融合器仍存在一定的局限性①鈦合金椎間融合器主要采用 Ti6A14V制作，雖然強度高，但彈性模量(IlOGPa)遠遠高于天然骨(皮質(zhì)骨約3_12GPa)， 存在金屬-骨的界面問題，會產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，導(dǎo)致骨吸收而發(fā)生植入體松動。②PEEK-Cage 彈性模量與椎體皮質(zhì)骨接近，避免了應(yīng)力屏蔽，但它與鈦合金都屬于生物惰性材料，骨組織只能貼附在材料表面而無法進入其內(nèi)部達到良好的骨整合，導(dǎo)致骨-材料界面結(jié)合強度不足，容易發(fā)生松動。PEEK-Cage的表面改性(如在表面噴涂鈦絲、羥基磷灰石(HA)，利用涂層的微孔樣結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)骨組織長入)雖然在一定程度上解決了骨-材料界面結(jié)合強度不足的問題，但表面涂層在生理環(huán)境加上負荷作用下，還是可能被機體吸收或是由于應(yīng)力集中，沿多孔表層與底材的界面產(chǎn)生裂紋，引起脫落。③PDLLA-Cage具有與骨質(zhì)相近的彈性模量，可降解為能被人體吸收的產(chǎn)物，從而逐漸被吸收并被周圍骨組織替代，具有良好的生物活性， 不存在骨-材料界面問題。但其機械強度較低，材料本身的內(nèi)在脆性導(dǎo)致其在手術(shù)操作中易于碎裂。并且其早期大分子降解產(chǎn)物可引起材料周圍纖維組織增生，一定程度延緩了早期成骨。綜上所述，一種理想的椎間融合器應(yīng)具備以下特點1)具有良好的生物相容性；
32)具有足夠的力學(xué)強度及抗疲勞能力；幻具有合適的彈性模量，利于骨-材料界面力學(xué)傳導(dǎo)；4)具有一定的骨生長誘導(dǎo)性等。為了達到以上要求，多孔鈦合金材料及其生物改性成為了研究的焦點。多孔鈦合金既具有足夠的機械強度，又具有多孔狀結(jié)構(gòu)，可以通過控制孔隙率、孔徑大小、孔的形狀及分布等多種參數(shù)，有效降低鈦合金的彈性模量，實現(xiàn)與自然骨的彈性模量相匹配。在孔隙中添加生物活性因子，如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)等可以誘導(dǎo)骨組織長入孔隙，增強多孔鈦合金植入物的機械鎖固，從而獲得更好的長期固定效果，因此多孔鈦合金是理想的制備椎間融合器材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有足夠支撐強度以維持椎間隙高度及椎體穩(wěn)定性， 又可以通過其內(nèi)部生物活性因子緩釋系統(tǒng)的誘導(dǎo)成骨作用刺激新骨生長，從而達到良好的骨整合，促進椎體間骨性融合的具有生物活性的多孔鈦合金人頸椎間融合器及其制備方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)多孔鈦合金椎間融合器制備首先按所需制備的多孔鈦合金人頸椎間融合器的設(shè)計要求將模型數(shù)據(jù)輸入電子束熔融設(shè)備中，并在電子束熔融設(shè)備中加入鈦合金Ti6A14V粉末，在600-800°C以20_40mA 的電子束流，以10000-18000mm/s的掃描速度預(yù)熱鈦合金粉末，然后以5_7mA的電子束流， 300-500mm/s的掃描速度逐層熔化鈦合金粉末，制備出與所需多孔鈦合金人頸椎間融合器形狀一致的多孔鈦合金人椎間融合器，其特征在于該生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器的外周部(1)具有規(guī)則孔隙，平均孔徑300-400 μ m，孔隙率40-50% ；中央部( 具有骨小梁樣不規(guī)則孔隙，平均孔徑400-1000 μ m,孔隙率60-80%，2)生物活性因子緩釋系統(tǒng)構(gòu)建2. 1載有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (rhBMP-2)的明膠微球的制備2. 1. 1明膠微球的制備將藥用明膠溶于40-60°C的雙蒸水中超聲離散得質(zhì)量濃度為5% -15%的明膠溶液，在40-60°C將明膠溶液與液體石蠟按1 5的體積比例混合，同時加入明膠溶液與石蠟混合液總體積2%的乳化劑Span-80攪拌均勻制成混懸液，將混懸液迅速降溫到0°C并繼續(xù)攪拌20分鐘，在攪拌下向混懸液中按每Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為1 %的京尼平預(yù)固化 1小時后停止攪拌，反復(fù)用丙酮脫水，用無水乙醚徹底洗掉石蠟后真空泵抽干，然后再按每 Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為的京尼平室溫避光靜置固化M小時，用無水乙醇徹底清洗殘留京尼平后室溫下真空干燥過篩，6tlCo照射滅菌后得明膠微球；2.1.2明膠微球加載rhBMP-2首先利用PBS (PH = 6. 0)配制 100_300ng/ml 的 rhBMP-2 溶液，按照 100 μ 1 rhBMP-2每1. Omg明膠微球干粉的比例，將明膠微球干粉浸泡于rhBMP-2溶液中，37°C搖床孵育，過夜，PBS沖洗，2500rmp離心10分鐘，清洗明膠微球2遍，收集rhBMP-2明膠微球，負壓凍干，6tlCo照射滅菌后密封避光-80°C保存；2. 2. rhBMP-2/明膠微球與多孔鈦合金內(nèi)部孔隙的結(jié)合2. 2. 1多孔鈦合金的明膠涂層修飾
在50°C的雙蒸水中配制質(zhì)量濃度為5-10%的明膠溶液A，將多孔鈦合金人椎間融合器先超聲清洗后浸入0. 5mol/L的NaOH溶液中，PBS清洗3遍，然后浸入明膠溶液A中在負壓下處理10分鐘，浸泡30分鐘后，取出材料后置于50°C的烤箱內(nèi)烤干；2. 2. 2rhBMP-2/明膠微球與明膠修飾后的多孔鈦合金內(nèi)部孔隙結(jié)合將rhBMP-2明膠微球與無水乙醇按照30mg/ml配制無水乙醇懸濁液B，超聲下離散2小時，將明膠涂層修飾后的多孔鈦合金人椎間融合器浸入懸濁液B中M小時， 在-93. 3kPa負壓下，抽真空凍干。6tlCo照射滅菌得到內(nèi)部含有rhBMP-2緩釋系統(tǒng)的多孔鈦合金人椎間融合器。按本發(fā)明的制備方法制成的椎間融合器的外周部具有規(guī)則孔隙，平均孔徑 300-400 μ m,孔隙率40-50% ；中央部具有骨小梁樣不規(guī)則孔隙，平均孔徑400-1000 μ m,孔隙率60-80%，且在外周部及中央部的孔隙中附著有rhBMP-2/明膠微球。本發(fā)明的制備方法制成的椎間融合器具有與自然骨組織相近的彈性模量，多孔結(jié)構(gòu)允許體液的傳輸及新生骨組織長入，解決了骨-材料界面結(jié)合問題，具有比致密材料更好的力學(xué)相容性與骨整合能力。其外周部的小孔徑設(shè)計使其具有更高的強度，規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)受力均勻，可以減少材料脆性，便于手術(shù)操作。中央部具有接近于骨小梁組織的不規(guī)則孔結(jié)構(gòu)，并且具有更大的孔徑及孔隙率，提供了更多的骨長入空間，利于營養(yǎng)物質(zhì)進入及代謝廢物排除。rhBMP-2明膠微球緩釋系統(tǒng)通過擴散、載體的逐步分解或溶解實現(xiàn)可控、穩(wěn)定的釋藥，從而能發(fā)揮持續(xù)的骨誘導(dǎo)作用，促進早期骨整合及椎體間骨性融合，達到椎體間的長期穩(wěn)定。此外，由于載藥明膠微球?qū)⒅饕植荚诳紫遁^大的中央部，使得骨誘導(dǎo)作用主要發(fā)生在椎間融合器內(nèi)部，可以防止融合器周圍骨組織過度生長壓迫椎體周圍重要結(jié)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明實施例的俯視圖；圖2為圖1的側(cè)面剖視圖；圖3為圖1的前視圖；圖4為復(fù)合rhBMP-2明膠微球后示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。1)多孔鈦合金椎間融合器制備首先按所需制備的多孔鈦合金人頸椎間融合器的設(shè)計要求將模型數(shù)據(jù)輸入電子束熔融設(shè)備中，并在電子束熔融設(shè)備中加入鈦合金Ti6A14V粉末，在600-800°C以20_40mA 的電子束流，以10000-18000mm/s的掃描速度預(yù)熱鈦合金粉末，然后以5_7mA的電子束流， 300-500mm/s的掃描速度逐層熔化鈦合金粉末，制備出與所需多孔鈦合金人頸椎間融合器形狀一致的多孔鈦合金人椎間融合器；本實施例為如圖1，圖2，圖3所示的楔形椎間融合器，規(guī)格為長(L) :16mm，寬 (W) :13mm，高(H) :5/6/7/8mm，楔形角度(a所示角度)17°。其橫截面近似于椎體截面，楔形設(shè)計便于術(shù)中將其植入椎間隙中。上表面為3-4° (b所示角度)的斜面，以利于維持頸椎生理彎曲。前部有2個直徑為3mm，深度為5mm的小孔3，用于夾持椎間融合器，孔間距(d)為8mm。外周部1厚度(D)為2mm，具有規(guī)則孔隙，平均孔徑300-400 μ m,孔隙率40-50% ； 中央部2具有骨小梁樣不規(guī)則孔隙，平均孔徑400-1000 μ m,孔隙率60-80%。2)生物活性因子緩釋系統(tǒng)構(gòu)建2. 1載有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (rhBMP-2)的明膠微球的制備2. 1. 1明膠微球的制備將藥用明膠溶于40-60°C的雙蒸水中超聲離散得質(zhì)量濃度為5% -15%的明膠溶液，在40-60°C將明膠溶液與液體石蠟按1 5的體積比例混合，同時加入明膠溶液與石蠟混合液總體積2%的乳化劑Span-80攪拌均勻制成混懸液，將混懸液迅速降溫到0°C并繼續(xù)攪拌20分鐘，在攪拌下向混懸液中按每Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為1 %的京尼平預(yù)固化 1小時后停止攪拌，反復(fù)用丙酮脫水，用無水乙醚徹底洗掉石蠟后真空泵抽干，然后再按每 Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為的京尼平室溫避光靜置固化M小時，用無水乙醇徹底清洗殘留京尼平后室溫下真空干燥過篩，6tlCo照射滅菌后得明膠微球；2. 1. 2明膠微球加載rhBMP-2首先利用PBS (PH = 6. 0)配制 100_300ng/ml 的 rhBMP-2 溶液，按照 100 μ 1 rhBMP-2每1. Omg明膠微球干粉的比例，將明膠微球干粉浸泡于rhBMP-2溶液中，37°C搖床孵育，過夜，PBS沖洗，2500rmp離心10分鐘，清洗明膠微球2遍，收集rhBMP-2明膠微球，負壓凍干，6tlCo照射滅菌后密封避光-80°C保存；2. 2. rhBMP-2/明膠微球與多孔鈦合金內(nèi)部孔隙的結(jié)合2. 2. 1多孔鈦合金的明膠涂層修飾在50°C的雙蒸水中配制質(zhì)量濃度為5-10%的明膠溶液A，將多孔鈦合金人椎間融合器先超聲清洗后浸入0. 5mol/L的NaOH溶液中，PBS清洗3遍，然后浸入明膠溶液A中在負壓下處理10分鐘，浸泡30分鐘后，取出材料后置于50°C的烤箱內(nèi)烤干；2. 2. 2rhBMP-2/明膠微球與明膠修飾后的多孔鈦合金內(nèi)部孔隙結(jié)合將rhBMP-2明膠微球與無水乙醇按照30mg/ml配制無水乙醇懸濁液B，超聲下離散2小時，將明膠涂層修飾后的多孔鈦合金人椎間融合器浸入懸濁液B中M小時，在-93. 負壓下，抽真空凍干。6tlCo照射滅菌得到內(nèi)部含有rhBMP-2緩釋系統(tǒng)的多孔鈦合金人椎間融合器。多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合rhBMP-2明膠微球后示意圖見圖4。本發(fā)明多孔鈦合金融合器的生物活性因子緩釋系統(tǒng)采用明膠微球緩釋技術(shù)建立的重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白_2(rhBMP1)緩釋系統(tǒng)。先通過改進的乳化冷凝法使明膠形成直徑10-30 μ m左右的微小球狀結(jié)構(gòu)，并使rhBMP-2分散在明膠微球內(nèi)部，構(gòu)建載藥明膠微球。再采用彌散法將載有rhBMP-2的明膠微球與植入材料復(fù)合，使明膠微球貼附于材料孔隙之中，構(gòu)建rhBMP-2緩釋系統(tǒng)。載藥明膠微球在多孔材料中的分布與材料孔徑和孔隙率有關(guān)，材料孔徑與孔隙率越大復(fù)合率越高，因此明膠微球?qū)⒅饕植加谧甸g融合器的中央部。明膠是骨組織的主要有機成分——膠原的水解產(chǎn)物，它可從動物膠原經(jīng)水解提煉獲得， 廉價易得、無抗原性、摩擦系數(shù)低、可生物降解，使用安全有效。rhBMP-2則具有較強的誘導(dǎo)成骨作用，已在臨床獲得應(yīng)用，它可以明顯的促進未成熟的成骨細胞以及骨前體細胞(MSC) 向成熟的骨細胞轉(zhuǎn)變，具有很強的異位、原位成骨能力。金屬復(fù)合rhBMP-2，無論在體外對于成骨細胞的生長，還是在體內(nèi)對于新生骨組織的形成，均具有明顯的骨誘導(dǎo)作用。(Herford AS. rhBMP-2 as an option for reconstructing mandibular continuity defects. J OralMaxillofac Surg. 2009 Dec ；67 (12) :2679-84.)
權(quán)利要求
1.一種具有生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器的制備方法，其特征在于1)多孔鈦合金椎間融合器制備首先按所需制備的多孔鈦合金人頸椎間融合器的設(shè)計要求將模型數(shù)據(jù)輸入電子束熔融設(shè)備中，并在電子束熔融設(shè)備中加入鈦合金Ti6A14V粉末，在600-800°C以20_40mA的電子束流，以10000-18000mm/s的掃描速度預(yù)熱鈦合金粉末，然后以5_7mA的電子束流， 300-500mm/s的掃描速度逐層熔化鈦合金粉末，制備出與所需多孔鈦合金人頸椎間融合器形狀一致的多孔鈦合金人椎間融合器；2)生物活性因子緩釋系統(tǒng)構(gòu)建2.1載有重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(rhBMP-2)的明膠微球的制備2. 1. 1明膠微球的制備將藥用明膠溶于40-60°C的雙蒸水中超聲離散得質(zhì)量濃度為5% -15%的明膠溶液，在 40-60°C將明膠溶液與液體石蠟按1 5的體積比例混合，同時加入明膠溶液與石蠟混合液總體積2%的乳化劑Span-80攪拌均勻制成混懸液，將混懸液迅速降溫到0°C并繼續(xù)攪拌20 分鐘，在攪拌下向混懸液中按每Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為的京尼平預(yù)固化1小時后停止攪拌，反復(fù)用丙酮脫水，用無水乙醚徹底洗掉石蠟后真空泵抽干，然后再按每Ig明膠加入3-6ml質(zhì)量濃度為的京尼平室溫避光靜置固化M小時，用無水乙醇徹底清洗殘留京尼平后室溫下真空干燥過篩，6tlCo照射滅菌后得明膠微球；2. 1. 2明膠微球加載rhBMP-2首先利用 PBS (PH = 6. 0)配制 100-300ng/ml 的 rhBMP-2 溶液，按照 100 μ 1 rhBMP-2 每1. Omg明膠微球干粉的比例，將明膠微球干粉浸泡于rhBMP-2溶液中，37°C搖床孵育，過夜，PBS沖洗，2500rmp離心10分鐘，清洗明膠微球2遍，收集rhBMP-2明膠微球，負壓凍干， 60Co照射滅菌后密封避光-80°C保存；2. 2. rhBMP-2/明膠微球與多孔鈦合金內(nèi)部孔隙的結(jié)合2. 2. 1多孔鈦合金的明膠涂層修飾在50°C的雙蒸水中配制質(zhì)量濃度為5-10%的明膠溶液A，將多孔鈦合金人椎間融合器先超聲清洗后浸入0. 5mol/L的NaOH溶液中，PBS清洗3遍，然后浸入明膠溶液A中在負壓下處理10分鐘，浸泡30分鐘后，取出材料后置于50°C的烤箱內(nèi)烤干；2. 2. 2rhBMP-2/明膠微球與明膠修飾后的多孔鈦合金內(nèi)部孔隙結(jié)合將rhBMP-2明膠微球與無水乙醇按照30mg/ml配制無水乙醇懸濁液B，超聲下離散2小時，將明膠涂層修飾后的多孔鈦合金人椎間融合器浸入懸濁液B中M小時，在-93. 負壓下，抽真空凍干。6tlCo照射滅菌得到內(nèi)部含有rhBMP-2緩釋系統(tǒng)的多孔鈦合金人椎間融合器ο
2. 一種如權(quán)利要求1所述的具有生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器的制備方法制成的生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器，其特征在于該生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器的外周部(1)具有規(guī)則孔隙，平均孔徑300-400μπι，孔隙率40-50% ；中央部(2)具有骨小梁樣不規(guī)則孔隙，平均孔徑400-1000μπι，孔隙率60-80%，且在外周部(1)及中央部 (2)的孔隙中附著有rhBMP-2/明膠微球。
全文摘要
一種具有生物活性多孔鈦合金人頸椎間融合器及其制備方法，首先按設(shè)計要求將模型數(shù)據(jù)輸入電子束熔融設(shè)備中制備出多孔鈦合金人椎間融合器；然后制備明膠微球；將明膠微球干粉浸泡于rhBMP-2溶液中進行明膠涂層修飾，再將雙蒸水中配制明膠溶液A，將多孔鈦合金人椎間融合器浸入明膠溶液A中在，將rhBMP-2明膠微球與無水乙醇混合得懸濁液B，將明膠涂層修飾后的多孔鈦合金人椎間融合器浸入懸濁液B得到內(nèi)部含有rhBMP-2緩釋系統(tǒng)的多孔鈦合金人椎間融合器。本發(fā)明制備的椎間融合器具有與自然骨組織相近的彈性模量，多孔結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部生物活性因子緩釋系統(tǒng)能誘導(dǎo)新生骨組織長入，解決了骨-材料界面結(jié)合問題，具有比致密材料更好的力學(xué)相容性與骨整合能力。
文檔編號A61F2/44GK102293693SQ20111014649
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者伍蘇華, 郭征 申請人:中國人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)