專利名稱：：生物活性涂層-鈦合金人工骨人工關(guān)節(jié)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及醫(yī)用鈦合金復(fù)合人工骨及人工關(guān)節(jié)及制備方法。人的骨骼損傷后，往往要用醫(yī)用合金取代相應(yīng)部位。醫(yī)用合金與人骨的連接方法有將錐形體合金壓入骨髓腔鑲嵌固定;螺釘固定;用聚甲基丙烯酸甲酯固定等。以上方法，均屬合金與人骨之間的機(jī)械固定。隨著植入時(shí)間的延長(zhǎng)，在合金給予人骨壓力的作用下，人骨就會(huì)出現(xiàn)損傷，被吸收，從而導(dǎo)致松動(dòng)、下沉。這是人工骨、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中急待解決的問(wèn)題。在現(xiàn)有技術(shù)中有用等離子噴涂的方法把氧化鋁或含鎢、磷的材料涂復(fù)在合金表面，制成有孔的表面。其目的是使人的骨組織長(zhǎng)入孔中實(shí)現(xiàn)固定。但等離子噴涂法形成的孔隙，只有50微米，骨組織難以長(zhǎng)入。近幾年出現(xiàn)把合金表面制成珊瑚狀及多孔狀，將人骨植入人體之后使骨組織能長(zhǎng)入孔中，骨與合金相互嵌合，其效果比其他方法好。但由于合金無(wú)活性，骨組織與合金界面還是機(jī)械嵌合，其效果不能使人們滿意。本發(fā)明的目的是提供一種生物活性涂層-鈦合金人工骨、人工關(guān)節(jié)以及制備方法，在已有的鈦合金人工骨、人工關(guān)節(jié)基礎(chǔ)上，在其表面涂復(fù)一層具有生物活性的復(fù)合材料，將人工骨或人工關(guān)節(jié)植入人體之后使生物活性材料與人體骨之間建立一種骨性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)生物固定，防止假體松動(dòng)、下沉，延長(zhǎng)人工骨及人工關(guān)節(jié)的使用年限。本發(fā)明的第一個(gè)技術(shù)解決方案是鈦合金人工骨及人工關(guān)節(jié)柄部和髖臼部表面涂復(fù)一層底釉，該底釉外表面再涂復(fù)一層生物活性材料，a、鈦合金底釉的化學(xué)成分范圍(重量%)為SiO235～45、B2O35～25、K2O6～18、Na2O4～8、MgO1～6、CaO5～9、P2O54～10、Li2O1～5、CaF20.5～3、Al2O31～3、MnO0.5～2、NiO0.5～2.5、CoO0.5～3，b、生物活性材料由羥基磷灰石和生物活性微晶玻璃組成，其中羥基磷灰石占38～45%(重量比)。c、生物活性微晶玻璃的化學(xué)成分范圍(重量%)為SiO230～60、CaO10～40、P2O57～20、B2O35～10、K2O2～7、Na2O4～9、Li2O1～5、MgO1～4、TiO21～4、CaF20.5～2。本發(fā)明另一個(gè)技術(shù)解決方案是生物活性涂層-鈦合金人工骨及人工關(guān)節(jié)的制備方法，其制備工藝如下(1)采用分析純或化學(xué)純?cè)?，按比例混合均勻，?400℃溫度下熔融，水淬，再加磨加劑制成底釉料漿，磨加劑由蘇州土及碳酸鈉組成，底釉料漿各成分及含量為底釉52.5%、蘇州土7%、碳酸鈉0.5%、水40%(重量比)。(2)將鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)清洗后，采用浸搪法掛底釉料漿，經(jīng)干燥后在850～900℃溫度下燒成并保溫5～10分鐘取出冷卻。(3)采用分析純或化學(xué)純?cè)希幢壤旌暇鶆?，?400～1500℃溫度下熔融，水淬，干燥，在900℃溫度條件下保溫4小時(shí)，微晶化處理，自然冷卻，經(jīng)粉碎，過(guò)篩(160～200目)，即成生物活性微晶玻璃。(4)將羥基磷灰石粉與生物活性微晶玻璃粉按比例混合均勻得生物活性材料，再按重量%加入生物活性材料50%，蔗糖5%、水45%，制成生物活性料漿。(5)將涂有底釉的鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)用浸搪法或澆注的方法涂上生物活性材料，經(jīng)干燥送入電爐中在850～890℃溫度和還原氣氛中燒結(jié)5分鐘，然后停止加熱自然冷卻。燒結(jié)生物活性材料時(shí)，在電爐中用水蒸汽或水，一氧化碳、氫氣保持還原氣氛。生物活性涂層材料必須具備生物活性，故使其成分限制在一定的范圍內(nèi)。這樣，其膨脹系數(shù)與鈦合金相差甚大，且密著性也不好，不能直接涂復(fù)在鈦合金表面。必須有過(guò)渡層，即將底釉先涂在鈦合金表面，然后再把生物活性材料燒結(jié)在底釉表面上。對(duì)底釉的要求是，其成分對(duì)人體無(wú)毒性;生物相容性好;其膨脹系數(shù)應(yīng)為鈦合金膨脹系數(shù)的60～80%;其燒成溫度應(yīng)略高于生物活性復(fù)合材料的燒成溫度。本發(fā)明底釉的膨脹系數(shù)為307×10-7/℃其燒成溫度為900℃。本方法使用的羥基磷灰石采用硝酸鈣、磷酸鉀、氫氧化鉀反應(yīng)合成。合成產(chǎn)物首先生成分散相，再經(jīng)誘導(dǎo)晶化生成羥基磷灰石。將產(chǎn)物干燥，煅燒后粉碎過(guò)篩(160～200目)。羥基磷灰石具有優(yōu)良的生物活性。但燒結(jié)困難，且強(qiáng)度低，難以單獨(dú)涂復(fù)在鈦合金表面。為此，把生物活性微晶玻璃與羥基磷灰石混合燒結(jié)，以改善燒結(jié)性能，并提高強(qiáng)度。這種生物活性微晶玻璃的成分能析出磷灰石及硅灰石等晶相。生物活性微晶玻璃的膨脹系數(shù)應(yīng)是鈦合金的60～70%，本發(fā)明生物活性微晶玻璃的膨脹系數(shù)為287×10-7/℃。該生物活性材料燒結(jié)之后形成孔徑范圍為數(shù)拾微米到400微米的孔隙，孔隙率為20～30%。因此，將生物活性涂層-鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)植入人體之后人骨可長(zhǎng)入生物活性材料的孔隙中形成骨性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)生物固定。本發(fā)明的生物活性材料生物相容性好，且有骨組織宜長(zhǎng)入的孔隙，將生物活性涂層-鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)植入人體之后，人體骨可以長(zhǎng)入生物活性復(fù)合涂層的孔隙中。故人體與人工骨或人工關(guān)節(jié)成為一體，建立骨性結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了生物固定，較好地解決了植入假體之后假體松動(dòng)與下沉的問(wèn)題。圖1為本發(fā)明人工關(guān)節(jié)的示意圖。圖2為生物活性復(fù)合材料與骨組織界面掃描電鏡照片。圖3為生物活性復(fù)合材料中的骨膠元纖維的掃描電鏡照片。圖4為生物活性復(fù)合材料表面見骨細(xì)胞的掃描電鏡照片。圖5為生物活性復(fù)合材料與骨組織結(jié)合的斷面照片。圖6為生物活性復(fù)合材料與骨組織結(jié)合界面電子探針成分分析圖。圖7為生物活性材料斷面孔隙照片。圖8為生物活性材料正交下晶體顯微照片。結(jié)合附圖及實(shí)例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)解決方案(1)熔制底釉采用分析純或化學(xué)純?cè)习粗亓?分別取SiO242.83、B2O311.79、Na2O7.86、K2O8.84、MgO3.73、CaO8.84、P2O57.86、Li2O1.96、CaF20.79、Al2O31.96、MnO0.79、NiO0.79、CoO1.96混合均勻，在1400℃溫度下熔融2小時(shí)，水淬得底釉材料。然后按重量%加入底釉52.5%，蘇州土7%，碳酸鈉0.5%，水40%混合均勻磨制即為底釉料漿。(2)合成羥基磷灰石用化學(xué)純0.08MKOH、0.04MCa(No3)2、0.24MK3PO4混合均勻，攪拌，并保持PH為9制得羥基磷灰石，經(jīng)干燥，煅燒后粉碎過(guò)篩(160～200目)。(3)生物活性微晶玻璃的制取采用分析純或化學(xué)純按重量百分比取SiO245.78、CaO20.36、P2O510.68、B2O38.14、Na2O7.12MgO2.03、Li2O2.03、CaF21.83、TiO22.03混合均勻，在1450℃熔融保溫1小時(shí)后水淬，干燥，在900℃溫度條件下保溫4小時(shí)，微晶化處理，自然冷卻，經(jīng)粉碎，過(guò)篩(160～200目)，即成生物活性微晶玻璃粉。(4)燒制生物活性涂層。①將鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)柄部和髖臼部清洗后，用浸搪法掛底釉，經(jīng)干燥后，在900℃溫度下燒成保溫5分鐘取出冷卻。②將羥基磷灰石粉與生物活性微晶玻璃粉按比例混合均勻制成生物活性材料。再按重量%加入生物活性材料50%、蔗糖5%、水45%，制成生物活性料漿。③將涂有底釉的鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)采用浸搪法掛涂生物活性漿料，經(jīng)干燥送入電爐中在890℃溫度下通入水蒸汽、水、一氧化碳或氫氣保持還原氣氛中燒結(jié)5分鐘，然后停止加熱自然冷卻。附圖1中可以看到本發(fā)明人工關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，圖1中1為鈦合金臼，2為鈦合金鎖帽，3為高密度聚乙烯，4為鈦合金柄，5為生物活性材料涂層。本發(fā)明的生物活性材料燒結(jié)塊斷面電鏡照片中可看到燒結(jié)狀及散在的孔隙(圖7)。經(jīng)測(cè)定，孔徑范圍為數(shù)拾微米到400微米?？紫堵蕿?0～30%。該材料經(jīng)X射線衍射儀測(cè)定，其晶相主要為基磷灰石、硅灰石等(圖8)。本發(fā)明的生物活性-鈦合金復(fù)合材料共用75只兔及4只狗作了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了生物相容性及生物活性復(fù)合材料和骨組織結(jié)合情況的觀測(cè)。1、生物相容性實(shí)驗(yàn)在20%烏拉坦全麻下，分別將生物活性復(fù)合材料及底釉和對(duì)照材料(鈦合金片)植于兔骶棘肌內(nèi)，分別于4周、8周、16周、24周取樣，進(jìn)行病理學(xué)檢查。結(jié)果試件周圍組織未見明顯炎性反應(yīng)、壞死及腐蝕現(xiàn)象。試件周圍纖維膜厚度不超過(guò)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)(0.03mm)。2、生物活性復(fù)合材料與骨組織結(jié)合情況(1)組織學(xué)檢查用哈爾濱型白兔，體重2.5～3.0kg，20%烏拉擔(dān)麻醉，髂骨體部切口，鑿槽，植入本材料，38天時(shí)取樣(北京友誼醫(yī)院協(xié)助制片)。結(jié)果本材料周圍可見增生骨細(xì)胞及骨莖質(zhì)緊密附著，本材料邊緣凹陷處亦有骨基質(zhì)伸入(圖2)。(2)掃描電鏡觀察分別將本材料植于兔股骨大轉(zhuǎn)子部、髂骨翼;將本材料的人工假體植入狗的股骨上端，分期取樣，兔的標(biāo)本制成塊狀，狗的標(biāo)本經(jīng)高壓水切割為橫截面，經(jīng)消化法處理后在掃描電鏡觀察，植入后83天見界面已不清楚。骨組織向本材料中呈鋸齒樣伸入，微孔中有骨組織長(zhǎng)入。植入后175天可見新生骨細(xì)胞(圖3、4、5)。(3)電子探針測(cè)試將本材料植入兔右股骨大轉(zhuǎn)子部，分期取樣，制成塊狀，噴碳處理。經(jīng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心，用JC×A-733電子探針在骨和本材料的界面進(jìn)行線分析。分析100個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)距離1微米。檢查Ca、P、Si、Na元素在分析位置上的強(qiáng)度變化情況，并在同樣位置上進(jìn)行Ca、P、Na、Si元素的定量分析。從線分析結(jié)果看，有元素的互相遷移(擴(kuò)散)現(xiàn)象。如骨中Ca、P較本材料中高，在界面附近材料中的Ca、P向本材料中擴(kuò)散。未見Na有明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象。Ca、P在本材料中大約擴(kuò)散20-25微米(圖6)。(4)X線檢查在20%烏拉擔(dān)麻醉下，暴露兔右橈骨中段，連同骨膜截骨1厘米，將本材料(與截除骨尺寸相當(dāng))嵌于缺損處，中以銀絲纏繞固定，閉合創(chuàng)中。分期進(jìn)行X線照像檢查，術(shù)后1、2個(gè)月時(shí)，X線片未見明顯變化，3個(gè)月時(shí)見材料與骨交界處影像模糊，在術(shù)后5個(gè)半月照片時(shí)，材料與骨界面消失，呈骨性愈合影像。(5)同位素檢查將植入本材料于右大轉(zhuǎn)子部的兔6只，分別從耳靜脈注射骨顯像劑99mTC-MDP(99m-亞甲基二磷酸鹽)12MBq/kg，3小時(shí)后先用PHO/GAMMAHPSKC-1型閃爍照像機(jī)進(jìn)行雙側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子為中中的骨顯像(右側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子植入本材料)。然后在兔靜脈注射空氣處死。立即取右側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子部的本材料及與其結(jié)合的骨質(zhì)，同時(shí)在左側(cè)股骨大轉(zhuǎn)子部也取出部位相當(dāng)、大小相似的骨質(zhì)。用FJ-2003/50型γ兔疫計(jì)數(shù)器進(jìn)行放射性測(cè)量。測(cè)出每克本材料中和股骨大轉(zhuǎn)子骨組織中的每分鐘放射性計(jì)數(shù)(CPm/g)。從骨顯像結(jié)果可見，植入本材料6個(gè)月的實(shí)驗(yàn)側(cè)放射性明顯高于對(duì)照側(cè)放射性。放射性測(cè)量(術(shù)后3個(gè)月和6個(gè)月的6只兔)放射性測(cè)量結(jié)果cpm/g</tables>從上表可見，術(shù)后3個(gè)月的3只兔本材料放射性不高。而術(shù)后6個(gè)月的3只兔本材料放射性明顯高于對(duì)照側(cè)的放射性。以上骨顯像和放射性測(cè)量等核素檢查，證明骨顯像劑99mTC-MDP在植入后6個(gè)月時(shí)已通過(guò)血供進(jìn)入到本材料中，可能被吸附到本材料上。本發(fā)明的產(chǎn)品從1988年11月開始應(yīng)用于臨床，在骨科應(yīng)用19例，計(jì)有骨頭無(wú)菌性壞死、骨折、骨腫瘤及瘤樣病損、骨髓炎、骨關(guān)節(jié)結(jié)核及關(guān)節(jié)融合術(shù)等多種疾病，近期效果良好。權(quán)利要求1.一種生物活性涂層-鈦合金人工骨、人工關(guān)節(jié)，其特征在于鈦合金人工骨及人工關(guān)節(jié)柄部和髖臼部表面涂復(fù)一層底釉，該底外表面再涂復(fù)一層生物活性材料，a、鈦合金底釉的化學(xué)成分范圍(重量%)為SiO235～45、B2O35～25、K2O6～18、Na2O4～8、MgO1～6、CaO5～9、P2O54～10、Li2O1～5、CaF20.5～3、Al2O31～3、MnO0.5～2、NiO0.5～2.5、CoO0.5～3，b、生物活性材料由羥基磷灰面和生物活性微晶玻璃組成，其中羥基磷灰石占38～45%(重量比)，c、生物活性微晶玻璃的化學(xué)成分范圍(重量%)為SiO230～60、CaO10～40、P2O57～20、B2O35～10、K2O2～7、Na2O4～9、Li2O1～5、MgO1～4、TiO21～4、CaF20.5～2。2.一種制備權(quán)利要求1中生物活性涂層-鈦合金人工骨、人工關(guān)節(jié)的制備方法，其特征在于(1)采用分析純或化學(xué)純?cè)?，按成分比例混合均勻，?400℃溫度下熔融，水淬，再加磨加劑制成底釉料漿，磨加劑由蘇州土及碳酸鈉組成，底釉料漿各成分及含量為底釉52.5%、蘇州土7%、碳酸鈉0.5%、水40%(重量比)，(2)將鈦合金人工骨或關(guān)節(jié)清洗后，采用浸搪法掛底釉料漿，經(jīng)干燥后在850～900℃溫度下燒成并保溫5～10分鐘取出冷卻，(3)采用分析純或化學(xué)純?cè)希幢壤旌暇鶆?，?400℃～1500℃溫度下熔融，水淬，干燥，在900℃溫度條件下保溫4小時(shí)，微晶化處理，自然冷卻，經(jīng)粉碎，過(guò)篩(160～200目)，即成生物活性微晶玻璃，(4)將羥基磷灰石粉與生物活性微晶玻璃粉按比例混合均勻得生物活性材料，再按重量%加入生物活性材料50%、蔗糖5%、水45%，制成生物活性材料料漿，(5)將涂有底釉的鈦合金人工骨或人工關(guān)節(jié)用浸搪法或澆注的方法涂上生物活性材料，經(jīng)干燥送入電爐中在850～890℃溫度和還原氣氛中燒結(jié)5分鐘，然后停止加熱自然冷卻。3.如權(quán)利要求2所說(shuō)的方法，其特征在于燒結(jié)生物活性材料時(shí)，在電爐中用水蒸汽或水、一氧化碳、氫氣保持還原氣氛。全文摘要一種生物活性涂層—鈦合金人工骨、人工關(guān)節(jié)以及制備方法，其特征在于鈦合金人工骨及人工關(guān)節(jié)柄部和髖臼部表面涂覆一層底釉，該底釉外表再涂復(fù)一層生物活性材料，生物活性材料由羧基磷灰石及生物活性微晶玻璃組成。該人工骨或人工關(guān)節(jié)植入人體之后使生物活性材料與人體骨之間建立一種骨性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)生物固定，可防止假體松動(dòng)、下沉，延長(zhǎng)人工骨及人工關(guān)節(jié)使用年限。文檔編號(hào)A61L27/00GK1042067SQ8910865公開日1990年5月16日申請(qǐng)日期1989年11月16日優(yōu)先權(quán)日1989年11月16日發(fā)明者武廣富,盧純?nèi)A申請(qǐng)人:齊齊哈爾輕工學(xué)院