專利名稱：人工生物假體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的人工生物假體，具體是將BMP經(jīng)假體表面多個(gè)微孔覆膜滲入假體內(nèi)部的人工假體。本發(fā)明還涉及上述人工生物假體的制備方法。
背景技術(shù)：
人工假體置換術(shù)是治療骨關(guān)節(jié)嚴(yán)重病變的終極治療手段，它使過(guò)去只能依賴拐杖行走，甚至只能截肢的患者，能夠象正常人一樣行走。但是，現(xiàn)有技術(shù)的人工假體存在關(guān)節(jié)易磨損、假體無(wú)菌性松動(dòng)和進(jìn)行性骨溶解等現(xiàn)象。
為解決上述問(wèn)題，許多人對(duì)人工關(guān)節(jié)進(jìn)行了多種改進(jìn)，通過(guò)植入體和周圍組織間建立相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)假體的固定，特別是發(fā)明了生物固定型人工關(guān)節(jié)，如中國(guó)專利98125674.0在人工關(guān)節(jié)上噴涂一層羥基磷灰石，然后在羥基磷灰石表面再涂敷一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)，以解決生理固定問(wèn)題。但此方法中，BMP難以滲入人工關(guān)節(jié)假體內(nèi)部，不能有效誘導(dǎo)骨生成。中國(guó)專利00107241.2在假體中設(shè)置中空的腔體，在空腔體內(nèi)填充骨形態(tài)發(fā)生蛋白-載體復(fù)合物，以實(shí)現(xiàn)假體生物性一體化。但中空假體將影響假體的強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的人工生物假體，使骨形態(tài)發(fā)生蛋白與假體更為有效結(jié)合，有利于誘導(dǎo)骨生成，且不影響假體的強(qiáng)度。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是將骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)經(jīng)假體表面滲入到假體內(nèi)部，以制備出新型的人工生物假體材料。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下所述的人工生物假體是在假體材料的表面覆蓋一層帶有多個(gè)微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆蓋一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。以使BMP通過(guò)微孔與假體材料更為有效地相結(jié)合，促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入假體的微孔中。
所述假體材料是鈦合金、鈷基合金、PMMA、超高分子聚乙烯、多孔材料，如Ti-6Al-4V合金，Ti-6Al-7Nb合金，鑄造Co-Cr-Mo合金等為人工假體材料，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它各種假體材料；所述微孔覆膜是羥基磷灰石(HA)、金屬多孔涂層和復(fù)合涂層；其中金屬多孔涂層包括由真空釬焊工藝獲得的金屬珠多孔涂層、金屬絲織構(gòu)涂層，以及采用等離子噴涂工藝制造的金屬粉末多孔涂層；還包括Ducheyne等于1980年提出的在多孔表面上使用活性生物陶瓷涂層等本領(lǐng)域公知的技術(shù)方法。
當(dāng)上述覆膜是羥基磷灰石時(shí)，所述微孔的孔徑為240～500μm；厚度為30-110μm，顆粒度0.3～0.9mm。
所述骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)包括各種來(lái)源獲得的BMP，如通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)(如轉(zhuǎn)基因方法)獲得的重組BMP-2；本發(fā)明所指的人工假體包括各種人工關(guān)節(jié)，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等。
本發(fā)明所述人工生物假體的制備方法是；在假體材料的表面覆蓋一層帶有多個(gè)微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆蓋一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。
所述假體材料的表面覆蓋微孔覆膜的方法包括等離子噴涂、離子束濺射沉積、電泳沉積、燒結(jié)等工藝，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它各種方法。
所述微孔覆膜的表面覆蓋骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的方法是將BMP溶于適當(dāng)溶劑中，然后將前述覆蓋有多個(gè)微孔覆膜的假體材料浸入該溶液中，經(jīng)沉積使BMP透過(guò)多個(gè)微孔沉積于假體材料中，然后除去溶液中雜質(zhì)，消毒而成。
上述適當(dāng)溶劑包括鹽酸胍水溶液、CuHCl/CaCl2混合水溶液等；上述除去溶液中雜質(zhì)方法是用蒸餾水透析、抽真空，然后低溫下凍干；上述消毒方法是用環(huán)氧乙烷直接消毒，或真空包裝后用鈷60照射消毒。
本發(fā)明進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)在多孔金屬表面植入體(PCA)與復(fù)合rhBMP2(基因重組BMP)的PCA植入體、HA涂層植入體及PCA表面噴涂HA植入體植入犬皮質(zhì)骨，并綜合運(yùn)用X線攝片、軟X線照相、不脫鈣骨組織磨片、熒光顯微鏡檢查、骨組織計(jì)量學(xué)分析及生物力學(xué)測(cè)定等方法對(duì)骨-植入體界面的骨長(zhǎng)入及界面的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了比較分析。結(jié)果顯示復(fù)合rhBMP2的植入體在4周時(shí)新生骨形成率和界面剪切強(qiáng)度均明顯優(yōu)于其它各組，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示復(fù)合rhBMP2組與其它各組間存在非常顯著差異。證明本發(fā)明的技術(shù)在促進(jìn)早期骨-假體界面的骨長(zhǎng)入和結(jié)合強(qiáng)度方面優(yōu)于其它各種方法，有利于早期骨與假體間的結(jié)合和固定。使假體在植入人體時(shí)與組織的相容性更好，促進(jìn)骨組織長(zhǎng)入假體的微孔中，避免假體無(wú)菌性松動(dòng)和進(jìn)行性骨溶解現(xiàn)象，減少人工關(guān)節(jié)的磨損。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1 Ti-6Al-4V合金人工髖生物假體1)在Ti-6Al-4V合金人工髖關(guān)節(jié)表面噴涂一層顆粒度為0.3～0.5mm的羥基磷灰石，羥基磷灰石厚度為30μm呈多孔狀，其孔徑為240～350μm。
2)將20mg BMP溶于4mol/L鹽酸胍溶液中。
3)在上述鹽酸胍溶液中放入1)中所述噴涂羥基磷灰石的人工關(guān)節(jié)，經(jīng)4℃，12h沉積、蒸餾水透析48h、抽真空、置-30℃凍干、環(huán)氧乙烷消毒后備用。
實(shí)施例2 Ti-6Al-7Nb合金人工膝生物假體1)在Ti-6Al-7Nb合金人工膝關(guān)節(jié)表面噴涂一層顆粒度為0.4～0.7mm的羥基磷灰石，羥基磷灰石厚度為60μm呈多孔狀，其孔徑為300～400μm。
2)將20mg BMP溶于4mol/LCuHCl/CaCl2混合水溶液中。
3)在上述混合水溶液中放入1)中所述噴涂羥基磷灰石的人工關(guān)節(jié)，經(jīng)4℃，12h沉積、蒸餾水透析48h、抽真空、置-30℃凍干，真空包裝后，用鈷60照射消毒備用。
實(shí)施例3鑄造Co-Cr-Mo合金人工踝生物假體在鑄造Co-Cr-Mo合金人工踝關(guān)節(jié)表面噴涂一層顆粒度為0.6～0.9mm的羥基磷灰石，羥基磷灰石厚度為110μm呈多孔狀，其孔徑為350～500μm。
其余步驟同實(shí)施例1中步驟2)、3)。
實(shí)施例4重組BMP應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)生物固定動(dòng)物實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)材料與方法(一)實(shí)驗(yàn)材料1.多孔金屬表面植入體(PCA)采用鈷鉻鉬合金圓柱形植入體，外徑5mm，長(zhǎng)度12mm。表面燒結(jié)有三層鈷鉻鉬合金微珠，孔徑為220μm，孔隙率為30％。
2.rhBMP2復(fù)合多孔金屬表面植入體(PCA+BMP)以I型膠原為載體每只PCA植入體表面復(fù)合500微克rhBMP2。
3.噴涂HA的PCA植入體(PCA+HA)直徑4.9mmPCA表面鈷鉻鉬合金植入體行表面噴砂粗化后燒結(jié)法制備HA涂層，HA涂層厚度約30±10微米。
4.羥基磷灰石涂層植入體(HA)直徑4.8mm鈷鉻鉬合金圓柱體、長(zhǎng)度12mm，行表面噴砂粗化，然后燒結(jié)法制備HA涂層，涂層厚度約100±50微米。
多孔金屬表面植入體及羥基磷灰石由京航公司制作和提供。羥基磷灰石純度95％，Ca/P為1.67。rhBMP2用北京百靈克生物制品公司產(chǎn)品，純度95％。復(fù)合方法為將定量的rhBMP2加入至10％I型膠原溶液充分?jǐn)嚢璩删鶆虻膽乙?，移液器定量滴加至植入體表面，真空冷凍干燥機(jī)中抽真空、冷凍干燥并反復(fù)數(shù)次，根據(jù)rhBMP2濃度、體積計(jì)算表面復(fù)合的劑量直至達(dá)到500微克。
(二)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物成年健康雜種犬16只，雌雄不限，體重20~25公斤；按觀察周期分為4周、8周、12周、24周四個(gè)時(shí)間組每時(shí)間組4只，選取雙側(cè)股骨為種植區(qū)，每條犬的每側(cè)股骨植入4枚植入體，分別在每側(cè)植入4種植入體各1枚，植入位置隨機(jī)排列。
(三)手術(shù)方法無(wú)菌條件下，行股骨外側(cè)直切口長(zhǎng)約12cm，逐層切開(kāi)皮膚及軟組織，經(jīng)前外側(cè)肌間隙鈍性分離，顯露股骨；切開(kāi)并剝離外側(cè)骨膜，用5.3mm鉆頭在股骨干外側(cè)依次鉆四孔穿透單側(cè)皮質(zhì)，同時(shí)鹽水沖洗降溫；孔間距約1.5cm，鹽水沖洗術(shù)野后將植入體插入孔中，輕叩到位，沖洗并縫合切口。
(四)檢測(cè)方法組織學(xué)觀察行軟X線照相、不脫鈣骨組織磨片，熒光顯微鏡檢查及計(jì)算機(jī)圖像分析；生物力學(xué)采用push-out方法測(cè)定界面剪切強(qiáng)度。
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果(一)攝片檢查各時(shí)間組各種植入體在與骨組織界面及其附近均未見(jiàn)骨缺損、透光帶和骨質(zhì)密度減低現(xiàn)象。
(二)軟X線照相術(shù)后四周標(biāo)本復(fù)合rhBMP2組見(jiàn)骨與植入體間接觸良好，無(wú)明顯透光帶，并可見(jiàn)到略低于骨組織密度影向孔隙內(nèi)移行。其它三組標(biāo)本均可見(jiàn)骨與植入體之間存在透光帶。術(shù)后各組植入體在八周時(shí)軟X線攝片均可見(jiàn)骨-植入體界面間透光帶變窄，骨與植入體的接觸面積增加及新生骨組織向孔隙內(nèi)生長(zhǎng)。十二周、二十四周時(shí)骨-植入體界面已經(jīng)被新生骨組織充填，看不到透光帶。
(三)不脫鈣骨組織磨片
植入后四周見(jiàn)復(fù)合rhBMP2組已有較多圍繞植入體表面呈環(huán)形生長(zhǎng)的板層骨及少量纖維組織，新生骨長(zhǎng)入孔隙內(nèi)，并可見(jiàn)新生血管和哈佛氏管結(jié)構(gòu)；沿孔隙生長(zhǎng)的新生骨小梁已長(zhǎng)入到第2、3層微珠之間，部分區(qū)域?yàn)榫幙椆?、類骨質(zhì)混雜在一起。其它三組在植入體與骨組織界面的周邊部位可見(jiàn)到有新骨形成，孔隙內(nèi)僅小部分區(qū)域可見(jiàn)新生骨組織且未超過(guò)第2層微珠。HA組可見(jiàn)在骨-植入體界面新生的環(huán)形生長(zhǎng)的板層骨，向內(nèi)有呈足突狀新生骨伸向植入體表面的涂層，也有部分區(qū)域形成骨組織直接附著在HA涂層表面，其它部分仍可見(jiàn)到纖維組織介于新生骨與涂層之間。
植入后八周、十二周及二十四周各組均可見(jiàn)界面新生骨組織增加，并逐漸長(zhǎng)入植入體和HA涂層孔隙。
(四)熒光顯微鏡檢查術(shù)后四周時(shí)磨片行熒光顯微鏡檢查可見(jiàn)復(fù)合rhBMP2組在骨床表面及植入體孔隙中成帶狀、片狀分布的熒光，并可見(jiàn)熒光沿孔隙間的微珠表面移行，說(shuō)明鈣化前沿在孔隙內(nèi)的微珠表面；PCA組僅見(jiàn)植入體表面及部分孔隙間有帶狀分布的熒光，說(shuō)明鈣化前沿在植入體表面部分；復(fù)合涂層組見(jiàn)沿植入體表面帶狀、環(huán)形分布的熒光，主要集中在骨與植入體之間界面，部分熒光貼附在涂層表面；HA組在熒光顯微鏡下可見(jiàn)環(huán)繞植入體帶狀分布的熒光，并可見(jiàn)貼附在涂層表面及呈指突狀的片狀熒光；八周、十二周及二十四周時(shí)各組均表現(xiàn)為熒光分布范圍增加，孔隙內(nèi)的熒光標(biāo)記增多，復(fù)合涂層組增加明顯，說(shuō)明孔隙內(nèi)的鈣化的新生骨隨時(shí)間增加；HA組熒光標(biāo)記的范圍增加，更加貼近植入體表面的涂層。
(五)骨組織計(jì)量學(xué)分析由于實(shí)驗(yàn)中采用的植入體為多孔表面，在組織學(xué)磨片中切面的形狀不規(guī)則，因此采用新生骨組織所占比率來(lái)對(duì)各組植入體在骨組織長(zhǎng)入孔隙的能力進(jìn)行比較；取各植入體每時(shí)間組不脫鈣骨組織磨片各6片在顯微鏡下觀察、經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像采集系統(tǒng)采集包含植入體在內(nèi)的整體圖像，并對(duì)采集后的圖像通過(guò)病理圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行分析；判斷新生骨組織并計(jì)算其面積，以骨與新生骨之間界面以內(nèi)的面積作為總面積，然后計(jì)算相對(duì)的新生骨形成率，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
新生骨形成率(％)＝新生骨組織面積/總面積×100％統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示在術(shù)后四周時(shí)BMP組與其它三組之間在新生骨形成率上有非常顯著差異。其它各組之間及術(shù)后8周12周各組之間均無(wú)顯著差異。
(六)生物力學(xué)測(cè)定MTS 858 mini Biotex生物力學(xué)測(cè)試機(jī)，設(shè)定連續(xù)行程為位移0.5mm/min。記錄壓力即時(shí)加載曲線，其峰值為應(yīng)力屈服點(diǎn)；同時(shí)測(cè)量皮質(zhì)骨與植入體接觸的厚度(h)和植入體的直徑(d)。
用以下公式計(jì)算推出實(shí)驗(yàn)的剪切強(qiáng)度最大剪切強(qiáng)度(MPa)＝最大剪切力(N)/骨與植入體接觸面積(mm2)骨與植入體的接觸面積S＝π*d*h統(tǒng)計(jì)學(xué)分析顯示在術(shù)后四周時(shí)BMP組與其它三組之間在界面剪切強(qiáng)度上有非常顯著差異。其它各組之間及術(shù)后8周、12周、24周各組之間無(wú)顯著差異。
權(quán)利要求
1.一種人工生物假體，其特征是在假體材料的表面覆蓋一層帶有多個(gè)微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆蓋一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。
2.權(quán)利要求1所述的人工生物假體，其特征是所述假體材料是鈦合金、鈷基合金、PMMA、超高分子聚乙烯、多孔材料。
3.權(quán)利要求1或2所述的人工生物假體，其特征是所述微孔覆膜是羥基磷灰石(HA)、金屬多孔涂層和復(fù)合涂層。
4.權(quán)利要求3所述的人工生物假體，其特征是所述羥基磷灰石的微孔的孔徑為240～500μm，厚度為30-110μm，顆粒度0.3～0.9mm。
5.權(quán)利要求1或2所述的人工生物假體，其特征是所述骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)包括通過(guò)分子生物學(xué)技術(shù)(如轉(zhuǎn)基因方法)獲得的重組BMP-2。
6.權(quán)利要求1或2所述的人工假體包括人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。
7.權(quán)利要求1所述的人工生物假體的制備方法，其特征是在假體材料的表面覆蓋一層帶有多個(gè)微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆蓋一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。
8.權(quán)利要求7所述的人工生物假體的制備方法，其特征是所述微孔覆膜的表面覆蓋骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的方法是將BMP溶于適當(dāng)溶劑中，然后將前述覆蓋有多個(gè)微孔覆膜的假體材料浸入該溶液中，經(jīng)沉積使BMP透過(guò)多個(gè)微孔沉積于假體材料中，然后除去溶液中雜質(zhì)，消毒而成。
9.權(quán)利要求7或8所述的人工生物假體的制備方法，其特征是所述假體材料的表面覆蓋微孔覆膜的方法包括等離子噴涂、離子束濺射沉積、電泳沉積、燒結(jié)等工藝。
10.權(quán)利要求7或8所述的人工生物假體的制備方法，其特征是所述適當(dāng)溶劑包括鹽酸胍水溶液、CuHCl/CaCl2混合水溶液；所述除去溶液中雜質(zhì)方法是用蒸餾水透析、抽真空，然后低溫下凍干；所述消毒方法是用環(huán)氧乙烷直接消毒，或真空包裝后用鈷60照射消毒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)的人工生物假體，具體是將BMP經(jīng)假體表面多個(gè)微孔覆膜滲入假體內(nèi)部的人工假體。本發(fā)明還涉及上述人工生物假體的制備方法。本發(fā)明在假體材料的表面覆蓋一層帶有多個(gè)微孔的覆膜，在所述微孔覆膜的表面覆蓋一層骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)。
文檔編號(hào)A61L27/14GK1618473SQ200310115380
公開(kāi)日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月21日
發(fā)明者王巖 申請(qǐng)人:王巖