一種具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體涉及一種用于治療人類早期股骨頭壞死，降低早期股骨頭壞死塌陷風(fēng)險(xiǎn)的具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒。
【背景技術(shù)】
[0002]股骨頭壞死好發(fā)于20-50歲的中青年人，如不及時(shí)治療，常進(jìn)展為股骨頭壞死塌陷，不得不行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。目前，臨床上應(yīng)用的髖關(guān)節(jié)假體使用壽命一般為15-20年，中青年人行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后常面臨假體翻修的問(wèn)題。因此，如何積極有效治療早期股骨頭壞死，延緩或者避免患者行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前臨床上面臨的一個(gè)難題。
[0003]常見(jiàn)早期股骨頭壞死的治療方法包括髓芯減壓、髓芯減壓聯(lián)合骨瓣移植治療、鉭棒支撐治療和截骨術(shù)。髓芯減壓術(shù)由于去除了股骨頭內(nèi)壞死骨質(zhì)，軟骨下骨缺乏有效的力學(xué)支撐，壞死股骨頭仍然存在一定的塌陷風(fēng)險(xiǎn)。因此，多數(shù)學(xué)者傾向于髓芯減壓后移植物支撐治療，帶血管蒂的骨移植物可為軟骨下骨提供有效的力學(xué)支撐，且移植物易存活，但此方法術(shù)式復(fù)雜、術(shù)后制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。截骨術(shù)術(shù)式復(fù)雜、術(shù)后患髖存活率低，并發(fā)癥高，且增加塌陷后行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)的難度。
[0004]鉭支撐棒是美國(guó)Zimmer公司生產(chǎn)的具有規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的等模量植入物。其由純鉭制成連通的多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率為75% -80%,平均孔徑430 μ m，彈性模量3GPa。其2年有效率為81.7%，4年有效率為68.1 %。棒體松動(dòng)患者股骨頭組織病理學(xué)研宄發(fā)現(xiàn)，平均骨長(zhǎng)入程度只有1.9%，分散的骨長(zhǎng)入僅限于棒體周邊，深度小于2_。此外，部分文獻(xiàn)報(bào)道，采取鉭支撐棒治療后患者大轉(zhuǎn)子基底部骨折的風(fēng)險(xiǎn)增加。
[0005]鈦合金是生物惰性材料，具有良好的生物相容性，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于骨科及齒科領(lǐng)域。同時(shí)，新興的3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多孔狀結(jié)構(gòu)鈦合金植入體的輕松制備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的在于提供一種骨長(zhǎng)入良好、長(zhǎng)期隨訪有效率高、骨折風(fēng)險(xiǎn)低的骨科植入物，為髓芯減壓后股骨頭軟骨下骨提供有效的力學(xué)支撐的具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒。
[0007]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的制備方法如下:支撐棒由體部和尾部組成，體部為圓柱狀的仿生多孔小梁結(jié)構(gòu)，直徑10mm，長(zhǎng)度為80±25mm，體部末梢設(shè)計(jì)成半球狀，尾部為圓柱狀，直徑12mm，長(zhǎng)度為20mm，外部為螺紋狀。
[0008]所述的外部螺紋紋距2臟、螺紋高1mm。
[0009]所述的尾部末梢有內(nèi)六方鎖定孔。
[0010]所述的支撐棒小梁表面設(shè)置有聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微球、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的復(fù)合層。
[0011]本實(shí)用新型支撐棒體部具有和人類股骨頭頸部松質(zhì)骨骨小梁結(jié)構(gòu)相似的小梁結(jié)構(gòu)，盡可能實(shí)現(xiàn)和人類股骨頭頸部彈性模量相仿，可有效減少棒體松動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。
[0012]另外，支撐棒小梁表面構(gòu)建有聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly (lactic-co-glycolic acid)，PLGA ]納米微球、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (bonemorphogenetic protein-2, BMP-2)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growthfactor, VEGF)復(fù)合體，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)因子緩釋效應(yīng)，有利于骨組織長(zhǎng)入。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的正視圖
[0014]圖2為圖1的剖視圖
[0015]圖3為圖1尾部的斜視圖
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]本實(shí)用新型的制備方法如下:
[0018]I)首先，構(gòu)建具有人類股骨頭內(nèi)部松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的仿生支撐棒三維模型；
[0019]2)其次，選用粒徑小于45 μπι的Ti6A14V或??2448球形粉末，采取選區(qū)激光熔化快速成型(Selective Laser Melting，SLM)或電子束恪融(Electron Beam Melting, EBM)技術(shù)打印出與仿生支撐棒三維模型一致的支撐棒；
[0020]3)打印完成后，將支撐棒依次按照丙酮、酒精、蒸餾水的順序依次超聲清洗10分鐘后干燥，鈷60輻射滅菌，將硝酸、氫氟酸和水按1:4:5的摩爾比混合得到酸性混合液，將支撐棒置于酸性混合液中侵蝕棒體，以去除游離鈦合金粉末、增加支撐棒仿生骨小梁表面粗糙度；
[0021]將貽貝粘附蛋白溶于質(zhì)量濃度為5%乙酸中，配制濃度為5 μ g/μ L的貽貝粘附蛋白溶液，再將酸性溶液侵蝕后的支撐棒浸入貽貝粘附蛋白溶液中負(fù)壓處理10分鐘，再侵泡30分鐘，揮發(fā)去除乙酸，滅菌去離子水清洗，室溫放置干燥；
[0022]4)將支撐棒置于聚乳酸-輕基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (bone morphogenetic protein-2，BMP-2)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)的懸池液中復(fù)合納米載藥微球得到具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒。
[0023]所述鈦合金支撐棒由體部I和尾部2組成。體部I設(shè)計(jì)為圓柱狀，設(shè)計(jì)為仿生多孔小梁結(jié)構(gòu)(圖1和圖2)，直徑10mm，長(zhǎng)度為80±25mm，以5mm為遞變單位，制成不同長(zhǎng)度規(guī)格的支撐棒，已適用于不同身高人群。體部末梢設(shè)計(jì)成半球狀，以利于棒體和軟骨下骨緊密接觸，為軟骨下骨提供有效的力學(xué)支撐。尾部2亦為圓柱狀，直徑12mm，長(zhǎng)度為20mm，外部設(shè)計(jì)成螺紋狀，紋距2mm、螺紋高1mm，尾部末梢設(shè)計(jì)有內(nèi)六方鎖定孔(圖3)，便于支撐棒置入。尾部直徑12_可減小股骨大轉(zhuǎn)子基底部骨缺損的直徑，從而減小術(shù)后患者大轉(zhuǎn)子基底部骨折風(fēng)險(xiǎn)。支撐棒小梁表面設(shè)置有聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微球、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的復(fù)合層。
[0024]所述的聚乳酸-羥基乙酸共聚物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子納米載藥微球由納米沉積法制成，直徑100納米和70納米微球制備方法如下:
[0025]I)將 10mg 聚乳酸-輕基乙酸共聚物[poly (lactic-co-glycolic acid)，PLGA]、180 μ g 骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (bone morphogenetic protein-2, BMP-2)和 15 μ g 血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)溶于 5mL 丙酮，置于超聲水浴箱 30分鐘；2)使用自動(dòng)注射器(KDS 200)以20mL/h的速度將上述溶液注入200mLl%聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)溶液；3)注入過(guò)程中，500轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢柚瞥?00納米微球，20000轉(zhuǎn)/分高速勾化制備70納米微球；4)殘余溶劑通風(fēng)櫥內(nèi)攪拌揮發(fā)24小時(shí)；5)合成的納米微球以20000Xg離心力離心30分，蒸餾水沖洗3遍，凍干。得納米載藥微球。
[0026]所述的聚乳酸-羥基乙酸共聚物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子納米載藥微球由納米沉積法制成，直徑200納米以上微球的制備如下:
[0027]I)將上述PLGA/BMP-2、VEGF溶于6mL 二氯甲烷；2)將溶液加入18mL3% PVA溶液，冰浴箱內(nèi)超聲探頭乳化(KFS-300N，超聲儀，韓國(guó))I分鐘，條件設(shè)定為100W ；3)乳化液倒入40mLl % PVA溶液通風(fēng)櫥內(nèi)攪拌24小時(shí)。400納米微球制備方法和上述方法相似，不同的是乳化時(shí)在冰浴箱內(nèi)30000轉(zhuǎn)/分搖勻5分鐘。制備600納米微球時(shí)，將PLGA/BMP-2、VEGF溶于20mL 二氯甲烷，后混入60mLl % PVA,冰浴箱內(nèi)30000轉(zhuǎn)/分搖勻5分鐘。上述殘余的有機(jī)溶劑通風(fēng)櫥內(nèi)攪拌揮發(fā)，較小直徑微球離心去除。蒸餾水沖洗微球3遍，凍干得納米載藥微球。
[0028]所述的棒體復(fù)合聚乳酸-羥基乙酸共聚物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的納米載藥微球，是將聚乳酸-羥基乙酸共聚物、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子納米載藥微球溶于水中配制成lmg/mL、2mg/mL或5mg/mL的懸池液，將支撐棒浸入懸池液，室溫放置輕度旋轉(zhuǎn)搖晃24小時(shí)，蒸餾水沖洗3次，室溫干燥、鈷60照射滅菌得到具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒。
[0029]所述仿生結(jié)構(gòu)支撐棒模型設(shè)計(jì)流程為:1)取正常成年國(guó)人股骨頭，行顯微CT (美國(guó)GE公司Locus SP顯微CT、德國(guó)YXLON微米X射線三維成像系統(tǒng)等)掃描，獲取DICOM原始數(shù)據(jù)，存盤(pán)；2)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MMICS14.0或14.0以上版本軟件(比利時(shí)Materialise公司);3)利用MIMICS自帶的CAD模塊設(shè)計(jì)支撐棒體體部(規(guī)格見(jiàn)后述)，并轉(zhuǎn)化為面數(shù)據(jù)(Mask)，和導(dǎo)入的股骨頭原始數(shù)據(jù)行布爾相交運(yùn)算，獲取具有仿生小梁結(jié)構(gòu)的支撐棒模型體部面數(shù)據(jù)；4)對(duì)面數(shù)據(jù)小梁進(jìn)行削薄(Erode)處理后行三維重建，然后行平滑處理(Smooth)，獲得仿生支撐棒體部三維模型；5)將設(shè)計(jì)好的STL格式支撐棒尾部(詳見(jiàn)后述)導(dǎo)入MMICS軟件，和體部體數(shù)據(jù)行布爾運(yùn)算獲得完整股骨頭支撐棒模型三維數(shù)據(jù)。
[0030]所述3D打印技術(shù)為選區(qū)激光恪化快速成型(Selective Laser Melting，SLM)或電子束恪融(Electron Beam Melting, EBM)技術(shù)，原材料為 Ti2448 (T1-24Nb-4Zr_8Sn)或者T1-6A1-4V球形粉末，粉末粒徑為45μπι以下。打印后行超聲清洗，去除孔隙內(nèi)游離粉末。由于激光束光斑為50 μ m、電子束光斑為100 μ m，打印好的成品孔徑可能略小于模型孔徑，部分較小的孔可能被游離的鈦合金粉末填充。因此，采取酸液(硝酸和氫氟酸按照特定比例混合)侵蝕的方法，去除較小的孔隙內(nèi)填充的粉末，進(jìn)一步減薄小梁厚度，并增加小梁表面粗糙度，以利于細(xì)胞粘附。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒，其特征在于:支撐棒由體部(I)和尾部(2)組成，體部(I)為圓柱狀的仿生多孔小梁結(jié)構(gòu)，直徑10mm，長(zhǎng)度為80±25mm，體部末梢設(shè)計(jì)成半球狀，尾部⑵為圓柱狀，直徑12mm，長(zhǎng)度為20mm，外部為螺紋狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒，其特征在于:所述的外部螺紋紋距2mm、螺紋高1mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒，其特征在于:所述的尾部(2)末梢有內(nèi)六方鎖定孔。
【專利摘要】一種具有仿生骨小梁結(jié)構(gòu)的多孔鈦合金股骨頭支撐棒，由體部和尾部組成，體部為圓柱狀的仿生多孔小梁結(jié)構(gòu)，直徑10mm，長(zhǎng)度為80±25mm，體部末梢設(shè)計(jì)成半球狀，尾部為圓柱狀，直徑12mm，長(zhǎng)度為20mm，外部為螺紋狀。支撐棒體部具有和人類股骨頭頸部松質(zhì)骨骨小梁結(jié)構(gòu)相似的小梁結(jié)構(gòu)，盡可能實(shí)現(xiàn)和人類股骨頭頸部彈性模量相仿，可有效減少棒體松動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生；同時(shí)，支撐棒小梁表面構(gòu)建有聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA]納米微球、骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)復(fù)合體，實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)因子緩釋效應(yīng)，有利于骨組織長(zhǎng)入。
【IPC分類】A61L27-06, A61F2-28, A61L27-56, A61L27-18, A61L27-54
【公開(kāi)號(hào)】CN204364501
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420747967
【發(fā)明人】郭征, 王財(cái)儒, 吳智鋼, 張涌泉
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2014年12月2日