專利名稱：用于促進骨結(jié)合的外科植入物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及牙科植入物，具體地涉及牙科植入物，該牙科植入物具有促進植入物結(jié)合到周圍骨和軟組織中的表面結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
本申請是對在美國專利No.6,419,491和No.6,454,569中闡明的我們的發(fā)明的改進，這兩個美國專利涉及牙科植入物，該牙科植入物具有適于促進植入物骨結(jié)合到周圍骨中的表面結(jié)構(gòu)。
同樣，本發(fā)明也是對現(xiàn)有技術(shù)的改進，所述現(xiàn)有技術(shù)例如授予Hansson的名稱為“Fixture For Use In a Dental System”的美國專利No.5,558,838(1996)；授予Wagner的名稱為“Dental Implant Having MultipleTextured Surfaces”的No.5,989,027(1999)；授予Mears的名稱為“Regeneration Of Living Tissues By Growth of Isolated Cells In PorousImplants”的No.4,553,272(1985)；授予Naiman的名稱為“System andAssemblage for Producing Microtexturized Substrates and Implants”的No.5,607,607(1997)；授予Curtis的名稱為“Wound Healing Material”的No.5,833,641(1998)；以及授予Singhvi的名稱為“Device Containing CytophilicIslands”的No.5,976,826(1999)；授予Branemark的No.4,320,891(1982)；和授予Niznick的No.5,571,017(1996)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，焦點在于使用隨機的微凹陷、孔或縱槽來促進骨結(jié)合，或者，如在我們的上述現(xiàn)有發(fā)明中的那樣，采用呈交替的脊和槽的形式的有序的微幾何重復性表面圖樣。盡管，我們的所述現(xiàn)有專利(例如參見美國專利No.6,419,491的圖7)建議可采用具有有序的微幾何重復性表面圖樣的不規(guī)則水平表面，但本發(fā)明進一步詳述了可以實現(xiàn)這一點的方式，從而提出了在有序的微幾何重復性表面圖樣的框架內(nèi)，與位于外科植入物和周圍各種硬組織和軟組織之間的界面和接觸處相關(guān)的隨機和非隨機的處理。

發(fā)明內(nèi)容
通常為金屬的外科植入物可呈細長實心體的形式，該細長實心體包括具有遠端和近端的縱軸。其不同部分可包括一個或多個適于促進組織結(jié)合到所述植入物中的不同表面結(jié)構(gòu)。在諸如牙科植入物的經(jīng)皮植入物的情況中，所述實心體的某些亞部分可設(shè)有容納骨的結(jié)合的一個子部分，而另一亞部分可適于與周圍的軟組織結(jié)合。然而，在采用一個或多個這樣的亞部分時，所有的亞部分都設(shè)有呈交替的脊和槽的形式的有序的微幾何重復性圖樣，每個脊和槽都具有范圍為約2.0微米至約25微米的確定的x、y和z軸尺寸寬度。在所述有序的重復性表面圖樣上疊加有多個具有坑狀特性的微凹陷，從而在所述微槽內(nèi)和在所述微槽附近提供粗糙性。這種微凹陷呈現(xiàn)的表面和深度尺寸的范圍為0.1微米至約4微米，不超過所述微槽的寬度。然而，這些微凹陷的尺寸不足以破壞或干擾所述植入物表面的交替的脊和槽的主導圖樣。這些微凹陷為待結(jié)合的所述組織的細胞的“縱槽(pod)”或吸杯狀元件提供附著表面。
從而本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于外科植入物的改進的微幾何表面，以改變并提高附在其上的細胞群落的骨結(jié)合。
另一目的在于提供一種有序和無序的微幾何表面的組合，該組合對特定細胞或組織種類的生長有利。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種用于微幾何植入物的基材，以促進在活體內(nèi)的細胞附著、對細胞生長和遷移的定向以及組織功能，這種基材具有用于阻止細胞沿第一或y軸生長并用于誘導細胞沿第二或x軸生長的尺寸和幾何形狀。
又一目的在于提供一種重復性和隨機性微幾何表面結(jié)構(gòu)的組合，該組合適用于植入物以及各種其它的外科應(yīng)用。
本發(fā)明的以上和其它目的和優(yōu)點將通過以下闡明的


具體實施方式
和所附權(quán)利要求而變得明了。

圖1為xy平面中的放大約750倍的平面示意圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的具有平行的脊和槽的有序的微幾何表面圖樣，每個脊和槽都具有近似相等的寬度。
圖2為與圖1類似的圖，不過其中所述脊和槽的y軸連續(xù)寬度隨著其表面圖樣的y軸方向改變。
圖3為有序的微幾何表面圖樣的示意性平面圖，其限定由沿每個軸的交替的凹部和凸起形成的雙軸、x-y陣列。
圖4為與圖3類似的平面圖，不過示出了其所有凹部和凸起彼此共線的圖樣。
圖5為與圖4類似的平面圖，其中所有脊在x-y截面中都是圓形的。
圖6為與圖3至圖5類似的圖，其中圖樣的槽限定xy網(wǎng)格作為其表面圖樣。
圖7至圖14為圖1至圖6的圖樣的yz平面剖面圖，其示出了yz平面幾何形狀的變化，即，可適用于圖1至圖6所示的一個或多個xy平面圖樣的槽對脊的關(guān)系。多個微凹陷隨機分布在槽的底部和側(cè)壁、脊的上表面上。
圖15至圖19進一步表示xy平面的表面圖樣，所述表面圖樣分別包括輻射狀、同心、圓形、輻射扇形、同心輻射狀以及交叉極性輻射狀(radiating with intersecting polar)圖案。
圖20為放大了約600倍的原位示意圖，其示出了牙科植入物的頸部和近端部以及與其相關(guān)的組織向內(nèi)生長。
圖21和圖22為可采用本發(fā)明的微幾何表面圖樣的另一類植入物的放大視圖。
圖23為圖20的類型的偏梯形螺紋式牙科植入物的電子顯微照片，以大約3000倍的放大率示出了微幾何結(jié)構(gòu)。
圖24為圖20的植入物的頸部的放大約340倍的放大圖。
圖25為放大約3000倍的電子顯微照片，其示出了采用與以上圖3、圖6和圖19所示的圖樣相對應(yīng)的不連續(xù)的脊和槽。
圖26為以下圖27和圖28的圖放大約3400倍的電子顯微照片。
圖27為圖20和圖24所示植入物的頸部上的表面圖樣A或B的放大約3000倍的電子顯微照片，其中其槽是連續(xù)的。
圖28為圖20和圖24所示植入物的頸部的放大1200倍的電子顯微照片。
圖29為放大約750倍的xy平面，示出了以上圖1至圖2的圖樣的另一實施方式。
具體實施例方式
骨組織為構(gòu)成幾乎所有成年脊椎動物骨骼結(jié)構(gòu)的主要組成部分的剛性支承組織。其以致密或松質(zhì)的形式存在，分別公知為密質(zhì)骨和松質(zhì)骨。典型的骨細胞大小為約10,000nm即10微米的量級。
骨組織由無機鹽(65％至70％)和各種有機物質(zhì)(30％至35％)的化學混合物構(gòu)成，堅硬且具有彈性。其硬度來自無機成分，主要是磷酸鈣和碳酸鈣，還有少量的氟化物、硫酸鹽和氯化物；其彈性來自諸如膠原、彈性細胞物質(zhì)和脂肪的有機物質(zhì)。稱為哈佛管的內(nèi)部管狀結(jié)構(gòu)包括神經(jīng)組織和為骨提供有機養(yǎng)料的血管。圍繞這些管的是有些多孔的組織，其由稱為骨板的薄板構(gòu)成，并通常含有填充有稱為骨髓或髓樣組織的結(jié)締組織網(wǎng)的腔體。骨髓占人體重的2％至5％，并由兩種組織構(gòu)成。黃骨髓主要由脂肪構(gòu)成，而紅骨髓為產(chǎn)生紅血球、白血球和血小板的組織。包圍所有上述成分的骨外部包括所有骨組織中致密和最堅硬的部分，該部分又通常由稱為骨膜的脈管纖維膜包覆。
表面的微織構(gòu)化(micro-texturing)對骨和附著到骨上的軟組織而言，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可通過利用本發(fā)明的植入物來控制和影響外科植入物或牙科植入物周圍的細胞群落生長的速度和方向以及不同細胞種類的生長。通常，這些植入物包括多個表面織構(gòu)化的分離區(qū)，每個區(qū)都包括不同的提供給并接觸特定細胞種類的重復性微幾何樣式或圖樣，用于促進該特定細胞種類的獨特群落生長。這些不同的重復性微幾何織構(gòu)化表面用于
(a)提高骨生長的速度并對骨生長的方向進行定向，開抑制軟組織的生長從而實現(xiàn)將植入物的表面牢固地固定到骨組織上；(b)提高軟組織生長的速度并對軟組織生長的方向進行定向，同時抑制骨組織的生長從而實現(xiàn)軟組織與植入物表面的結(jié)合；和/或(c)生成抑制軟組織、特別是軟纖維組織生長的阻礙物，從而防止軟組織生長在植入物的骨組織附著表面中遷移。
本發(fā)明的植入物可由合適并可接受的市售材料形成，所述材料例如鑄造或鍛造的鈷和鉻的合金、各種等級的商用鈦、鈦合金、不銹鋼合金、例如聚乙醚酮(polyethyletherketone)的熱塑性樹脂、聚苯硫醚、陶瓷、氧化鋁以及它們的組合。
已經(jīng)示出，由12微米(μm)的槽和脊構(gòu)成的表面可提高RBM(大鼠骨髓)至RTF(大鼠腱成纖維細胞)的細胞群落生長率，以促進骨細胞的生長超過纖維組織的生長。此外，該表面還使骨細胞的特定方向的遷移大致是在平坦表面上的細胞的速率的兩倍。該表面可用于使骨生長比軟組織生長快，并將骨生長導引至植入物表面的需要固定骨的區(qū)域中。
因為纖維組織和骨細胞通常“爭奪”表面區(qū)域，從而在給定表面上骨對軟組織群落區(qū)域增加的比值是表面選擇中的一個重要參數(shù)。該比值代表這些表面上對細胞生長的相對刺激或抑制。理論上，該比值對有利于表面上一種或另一種細胞種類的生長是非常重要的，其中，較大的比值對骨細胞生長有利，而較小的比值有利于纖維組織的生長。在這些比值的基礎(chǔ)上，2微米的凹口或槽使骨/軟組織生長降低32.8％，從而對軟細胞組織的生長相當有利。該表面可用于促進纖維組織細胞的生長；它也可用于對這些細胞的生長進行顯著的定向。4微米凹口或槽的表面提供類似的比值，但它是在整體生長率較低的基礎(chǔ)上。因此，如果需要纖維細胞不定向生長，則平坦的對照表面對RTF組織細胞具有內(nèi)在的優(yōu)點，其骨對于軟組織細胞生長的比值約為0.6。已在體內(nèi)觀察到這一效應(yīng)，其中顯示與相同成分的織構(gòu)化表面相比，光滑表面對形成厚纖維組織囊形成有利，所述織構(gòu)化表面顯出較少的纖維囊形成以及更大范圍的骨結(jié)合。
骨對軟組織細胞生長的比值最大的表面為具有12微米槽的表面。
參照圖1，其中討論的有序的微幾何重復性圖樣可呈多個交替的槽10和脊12的形式，其中每個相應(yīng)的脊和槽的寬度為大約2微米至大約25微米，而且深度范圍為大約2微米至大約25微米。在圖1的實施方式中，寬度大致相等的相互平行的線性脊和槽的無限重復圖樣限定本發(fā)明所設(shè)想的植入物或基材的微織構(gòu)化表面。在優(yōu)選實施方式中，所述槽具有大致相同的寬度和大致相同的深度。
圖2的實施方式中示出這樣一種表面，其中，交替的脊14和槽16的寬度關(guān)于相對所述脊和槽的軸橫向的軸沿y軸增加。因此，針對存在組織種類轉(zhuǎn)變或組織密度梯度的一些種類的組織而言，可采用圖2類型的那種織構(gòu)化表面。
在圖3中示出這樣一種表面圖樣，其中脊18呈凸起的形式而槽20呈凹部的形式，從而限定棋盤構(gòu)形。其中，這些脊和槽同時相對于給定表面的x軸和y軸交替。
圖4的實施方式與圖3的實施方式的不同之處在于圖4中脊22形成雙軸線性圖樣。類似地，圖4的實施方式的槽24限定x-y陣列，其由可呈現(xiàn)為多種幾何形狀的凹部形成。
圖5中示出本發(fā)明這樣一個實施方式，其中圓形凹部26限定槽或凹部，而它們之間的區(qū)域(即間隙28)限定脊或凸起。其中，可意識到這里使用的術(shù)語“交替的脊和槽”包括多種微織構(gòu)的幾何圖樣，其中該圖樣的脊和槽在彼此交替的同時其自身可包括多種幾何形狀(包括通道、矩形、平行四邊形、正方形、圓形和橢圓形)中的任何一個。
參照圖6，示出了網(wǎng)格狀的布置，其中，槽30限定刻蝕到表面32中的xy陣列，從而表面32在相對于蝕刻槽30觀察時包括脊。
從圖1至圖6的實施方式可理解，給定槽的寬度(或直徑)無需與其相應(yīng)的脊的寬度(或直徑)對應(yīng)，只要該寬度落在上述約2微米至25微米的范圍，而深度在約2微米至約25微米的范圍即可。從而，從上述大量實驗可確定，本發(fā)明范圍內(nèi)的微幾何重復性圖樣可限定對上頜面骨或組織的細胞群落生長的速度、定向和方向性進行優(yōu)先促進的引導，而不要求脊的寬度等于槽的寬度，這是因為基本上正是微織構(gòu)化表面的槽限定對細胞群落生長進行優(yōu)先促進的引導。在大多數(shù)應(yīng)用中，期望的是使給定表面上的槽密度最大，從而實現(xiàn)期望的細胞生長效應(yīng)；然而，不同的臨床環(huán)境將規(guī)定采用不同的表面圖樣和槽的分布密度。
應(yīng)理解，為清楚起見，圖1至圖6沒有示出以下將描述的在上述槽結(jié)構(gòu)上采用隨機微凹陷的情形。
參照圖7至圖14的視圖，示出了可與參照圖1至圖6所述的微幾何織構(gòu)化構(gòu)形一起采用的示意性截面。換言之，圖7至圖14的視圖表示可限定在表面圖樣的yz平面內(nèi)的幾何形狀的范圍。如圖所示，每個槽4具有底部2和兩個相對的側(cè)壁3。圖7至圖9表示脊寬度a、脊和槽高度b、以及槽寬度c的變化。通常，脊高度將等于槽深度。參數(shù)d為脊和槽寬度的和。圖7最右邊的脊表面表示y軸表面不必是線性平坦的，即其可以是不規(guī)則的微凹陷或坑狀。
在圖7至圖14中，在脊6的上表面和槽4的底部2上示出了尺寸范圍分別在0.1微米至約4微米的微凹陷33和35。其中，微凹陷的尺寸指微凹陷的寬度和深度。此外，在圖7至圖9以及圖12至圖14中的側(cè)壁的表面上示出了微凹陷37?？蓪⑾嗨频奈枷荨⒖踊蚩?7a設(shè)置在圖10及圖11所示的幾何形狀的傾斜側(cè)壁上。微凹陷有助于組織細胞壁的“縱槽”附在植入物表面上。
在圖15至圖19的幾何形狀中，以點線和虛線示出了xy平面的微凹陷33/35。因此，應(yīng)理解到，微凹陷通常以大致隨機的方式提供在圖1至圖19示出的有序的微槽和脊的底層xy平面上。
參照圖20，示出了這樣一種示例，其中，可在牙科應(yīng)用中進行醫(yī)用植入物的上述表面處理。更具體地，在圖20中示出了偏梯形螺紋植入物100的具有近端頸部46和遠端頸部48的頸部120的放大圖、以及關(guān)于頜骨54、骨皮質(zhì)15和軟組織38的放大圖。圖20還示出了在所述遠端頸部48與骨54之間的骨結(jié)合的區(qū)域34以及在植入物100的遠端區(qū)域102與骨54之間的骨結(jié)合區(qū)域36。在區(qū)域42中，示出了骨皮質(zhì)15與遠端頸部48之間的結(jié)合區(qū)域。區(qū)域52代表在近端頸部46與軟組織(齦)38之間的結(jié)合區(qū)域。通過采用用于骨結(jié)合的較小尺寸的微幾何圖樣B、采用用于軟組織密封的較大尺寸的圖樣A(這與所述交替的脊12/14和槽10/16(見圖1、圖2以及圖7至圖14)的寬度和深度一樣為上述約2.0微米至約25微米的范圍，其上疊加有隨機的微凹陷，從而限定發(fā)明的植入物表面的有序的微幾何表面圖樣與隨機的微幾何表面圖樣的組合)，從而能實現(xiàn)這些向內(nèi)生長的區(qū)域。
因此應(yīng)理解到，頜骨54、骨皮質(zhì)15以及組織38和頸部46和48之間的向內(nèi)生長或生物親和性的區(qū)域34、36、42和52，以及遠端區(qū)域102在組織38與骨皮質(zhì)15之間的界面40的區(qū)域42附近(即在植入物頸部進入所述骨中的位置)實現(xiàn)了組織的有利密封。這樣，根據(jù)本發(fā)明，雙親和性的植入物頸部有效地促進了將骨42密封至植入物頸部120。通過這樣的密封消除了植入物牙科學的現(xiàn)有技術(shù)中長期存在的所謂杯吸效應(yīng)。
還應(yīng)理解，上述表面圖樣(其包括尺寸范圍為約2.0微米至約25微米的有序的微幾何的交替的脊和槽的組合，并覆蓋有尺寸范圍為約0.1微米至約4微米的基本隨機的微凹陷)可通過包括但不限于以下方法的許多方法中的任何一種方法來實現(xiàn)，即激光切割、酸蝕刻、光刻術(shù)、磨蝕/粗糙化、等離子噴涂，及其組合。
對于頸部的近端部分對遠端部分的軸向長度的比值，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這些軸向長度不必相等，從而近端部分對遠端部分的軸向長度的范圍可落在約1∶4至約4∶1之間，這使得總的軸向長度在約1毫米至約3毫米之間。
參考圖21至圖22，示出了如在我們的美國專利6,406,296(這里將其全文引入作為參考)中教導的具有增大(enlarged)的近端部分204的植入物200，可在該增大的近端部分204上形成上述表面圖樣。這樣的植入物還包括頸部202、夾緊頭208、位于其中的接合裝置210以及其漸縮的遠端部分206。為了按照如參照圖20所述的方式促進組織的向內(nèi)生長和密封，可在頸部202上形成一種表面圖樣C，而在所述的增大的近端部分204上形成另一種表面圖樣D。從而，增大的近端部分204以及微幾何表面圖樣C和D相互作用以增強植入物處的骨結(jié)合。
圖23為圖24類型的偏梯形螺紋牙科植入物的放大圖，該植入物設(shè)有有序的微幾何表面。圖25為圖20的頸部放大340倍的放大圖，不過示出了先前如圖6所示的不連續(xù)的槽30和脊32的圖樣。圖26為電子顯微照片，其包括圖25的頸部的進一步放大圖。圖27為對圖24的植入物的螺紋結(jié)構(gòu)上的表面圖樣的電子顯微照片，其中其槽是連續(xù)的，與圖25的不連續(xù)脊和槽部分相反。圖28為圖24示出的植入物的頸部的1200倍的電子顯微照片放大圖。在所有圖中，其中的小縱向槽表明激光相關(guān)的熔合，而不是植入物的一部分微幾何表面。
在所有顯微圖照片中還示出了以上參照圖7至圖19所示的微凹陷(縱槽)33、35和37。
圖29示出了本發(fā)明的另一實施方式，其中槽110和脊112限定平行但彎曲的線。
盡管已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但應(yīng)理解可以通過與這里具體示出和描述的不同的方式實現(xiàn)本發(fā)明，而且在所述實施方式中，在不偏離所附權(quán)利要求闡明的本發(fā)明的基本構(gòu)思或原理的情況下可作出部件的形式和布置上的某些改變。
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用植入物，該醫(yī)用植入物包括(a)呈多個交替的脊和槽的形式的有序的微幾何表面圖樣；每個所述交替的脊和槽都具有范圍為從約2微米至約25微米的寬度以及范圍為從約2微米至約25微米的深度；而且每個所述槽都具有底部和兩個相對的側(cè)壁；以及(b)呈多個微凹陷形式的微幾何隨機表面圖樣，所述微凹陷的尺寸范圍為約0.1微米至約4微米，所述微幾何隨機表面圖樣疊加在所述有序的微幾何表面圖樣上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用植入物，其中，所述多個微凹陷的所述尺寸不超過所述槽的所述寬度和所述槽的所述深度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用植入物，其中，所述多個微凹陷隨機地分布在所述槽的所述底部和所述側(cè)壁上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用植入物，其中，所述多個微凹陷隨機地分布在所述脊的上表面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用植入物，其中，所述槽具有范圍為從約2微米至約25微米的大致相同的寬度，并具有范圍為從約2微米至約25微米的大致相同的深度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于促進骨結(jié)合的外科植入物。具體地，本發(fā)明提供一種用于外科插入到患者組織中的醫(yī)用植入物(100)，該醫(yī)用植入物(100)包括呈多個交替的脊(12)和槽(10)形式的有序的微幾何表面圖樣，每個脊和槽都具有范圍為約2微米至25微米的確定寬度以及范圍為約2微米至約25微米的確定深度，每個槽都具有底部和兩個相對的側(cè)壁；以及呈多個微凹陷(33、35)形式的微幾何隨機表面圖樣，所述微凹陷的尺寸范圍為約0.1微米至約4微米，所述微幾何隨機表面圖樣疊加在有序的微幾何表面圖樣上。
文檔編號A61B17/68GK1942148SQ200580011647
公開日2007年4月4日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月29日
發(fā)明者哈羅德·亞歷山大, 布魯斯·霍蘭德, 約翰·里奇 申請人:拜羅克國際公司