專利名稱：海綿狀骨質(zhì)陶瓷成型制品的生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品的生產(chǎn)工藝，這種制品具有不規(guī)則的幾何形狀和圓滑的邊角。
相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，人們已經(jīng)知道燒結(jié)后形成陶瓷的礦物化的骨是理想的骨代用材料。骨質(zhì)陶瓷與天然骨在化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)組成和力學(xué)性能上有很大程度上的一致性。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)海綿狀骨質(zhì)陶瓷具有特別的骨質(zhì)傳導(dǎo)性(osteoconductive)。海綿狀骨質(zhì)陶瓷的開放的、內(nèi)連通的、分隔式的結(jié)構(gòu)促進(jìn)新的骨組織在陶瓷上和陶瓷內(nèi)部的生長(zhǎng)，因此在移植過(guò)程中陶瓷植入體有強(qiáng)烈的移植再生性和由此而產(chǎn)生的結(jié)合性。所以用動(dòng)物骨生產(chǎn)的骨質(zhì)陶瓷越來(lái)越多地在骨合成和由疾病或事故引起的骨缺損的再造中用作骨代用材料。
用動(dòng)物骨生產(chǎn)骨質(zhì)陶瓷，一般是先用機(jī)械方法把選好的骨或骨塊與所有粘連的軟組織剝離，然后把這些骨或骨塊鋸至應(yīng)有的尺寸使其具有合適的形狀和尺寸。再通過(guò)除去所有的其它有機(jī)成分使其礦物化，最后進(jìn)行最終的成形加工。礦物化過(guò)程首先是把骨在水中煮沸幾次。接下來(lái)的處理象EP0,141,004中所述的，可以用溶解脂肪的或溶解蛋白質(zhì)的溶劑和/或在過(guò)氧化氫的作用下進(jìn)行。已經(jīng)證明特別簡(jiǎn)單而有效的方法是熱解礦物化的那些方法，其中加熱的作用使骨中的有機(jī)成分分解，產(chǎn)生的碳隨后在過(guò)剩的氧氣中完全燒掉。對(duì)于骨的熱解，溫度通常在500-1000℃之間。骨礦物化后，通常在800-1400℃之間燒結(jié)得到陶瓷。只有通過(guò)燒結(jié)，該材料才能獲得理想的最終強(qiáng)度。在所提到的加工過(guò)程中，特別要注意盡可能保持原骨的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于海綿狀骨原料向海綿狀骨質(zhì)陶瓷的轉(zhuǎn)變，一個(gè)優(yōu)選的方案是根據(jù)DE37,27,606提出的工藝進(jìn)行，其中特定的溫度制度和氣氛的還原或氧化特性能使熱解特別平緩地進(jìn)行。
隨后，具有確定幾何形狀和尺寸的成形制品用粗海綿骨質(zhì)陶瓷塊經(jīng)鋸加工或球磨加工而制得。通常商業(yè)形式的實(shí)例是體積大約為0.25-4.25cm3的立方體、長(zhǎng)方體和圓柱體。
但是，基于原來(lái)的粗料的這樣的成形制品的可能的成品率是非常低的。由于含有海綿狀的骨組織的天然賦予的形狀和尺寸，原骨的整個(gè)多孔區(qū)域只有少部分適用于生產(chǎn)成形制品，皮層物質(zhì)、生長(zhǎng)的軟骨，不均勻的和力學(xué)不穩(wěn)定的區(qū)域必須去掉。通常，這樣的區(qū)域不能從外面看出，因此只有到鋸加工或球磨階段，成形制品破裂，或這些已經(jīng)看出是不合適的制品，才能在該工序后剔除。
已經(jīng)提到的確定幾何形狀的成形制品都具有尖銳的邊角。在邊角區(qū)域，多孔的海綿狀陶瓷自然是高敏感性的，結(jié)果導(dǎo)致，例如在臨床使用過(guò)程中，非常容易產(chǎn)生斷裂和磨損。
邊角的斷裂，除了產(chǎn)生形狀上的不必要變化外，磨損的顆粒還會(huì)在植入位置引起不必要的反應(yīng)。這種危險(xiǎn)特別存在于這樣的成形制品在骨缺損的壓裝移植(press-fit)中，此時(shí)要把這些成形制品研磨至合適的尺寸。
此外，海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品的臨床應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，很少對(duì)預(yù)先確定了幾何形狀和尺寸的制品有迫切的需要。外科醫(yī)生通常在移植前或移植中要加工成形制品使其形狀和尺寸適合移植位置的實(shí)際情況。這里，細(xì)顆粒的不必要出現(xiàn)也常常是不可避免的。此外，在填充相對(duì)大體積的骨缺損的情況下，為了填充骨缺損，有相對(duì)大量的具有不規(guī)則形狀和圓滑邊角的海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品要有利得多。
現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，適用于此目的的海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品，具有不規(guī)則的外形和圓滑的邊角、且沒有力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)域，可以通過(guò)對(duì)海綿狀骨進(jìn)行修整成形即在球磨機(jī)中處理這些骨塊而獲得，這些海綿狀骨塊已經(jīng)先粗預(yù)成形為小塊，然后礦物化并燒結(jié)形成陶瓷。
因此本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品的生產(chǎn)工藝，在該工藝過(guò)程中，已經(jīng)粗預(yù)成形為小塊的海綿狀骨經(jīng)過(guò)除去所有有機(jī)成分而礦物化，然后把礦物化的骨質(zhì)燒結(jié)形成陶瓷，再進(jìn)行最后的成形加工。該工藝的特征是，骨質(zhì)陶瓷塊的成形加工是通過(guò)在球磨機(jī)中處理進(jìn)行的，磨掉骨質(zhì)陶瓷塊上的力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)域得到具有圓滑邊角的幾何外形不規(guī)則的成形制品。
根據(jù)本發(fā)明的工藝，開始時(shí)是以一種已知的方式進(jìn)行的，特別是為了礦物化骨原料并使其燒結(jié)形成陶瓷，是根據(jù)DE37,27,306的工藝。為此，選好的骨材料，優(yōu)選的是新宰殺的牲畜的骨的端部，已除去全部軟組織并用鋸切割至應(yīng)有尺寸的立方體塊，先有水中煮沸幾次。然后把骨塊干燥幾個(gè)小時(shí)，在氮?dú)庵袩峤?，在空氣中或在氧氣中完全燒?有機(jī)成分)然后進(jìn)行最后的燒結(jié)。在最后燒結(jié)之前，有可能象DE40,28,683中所述的那樣，提供一個(gè)處理工序，即用一種有機(jī)酸水溶液，特別是檸檬酸浸出材料中的氧化鈣成分。
根據(jù)本發(fā)明，骨質(zhì)陶瓷塊的最后處理是在球磨機(jī)中進(jìn)行的，處理過(guò)程中，除去力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)域并進(jìn)行最后的成形加工得到具有圓滑邊角的成形制品。為此使用剛燒結(jié)得到的骨質(zhì)陶瓷塊。用鋸、磨機(jī)或顎式破碎機(jī)預(yù)先減小尺寸是有利的，這種尺寸減小的加工一方面有助于除去全部殘存的皮層物質(zhì)區(qū)和生長(zhǎng)的軟骨、又使其具有成形制品所要求的尺寸量級(jí)。同樣適用的是生產(chǎn)具有確定幾何外形的成形制品的碎片和下角料。
然后把粗預(yù)成形的海綿狀骨質(zhì)陶瓷塊放入一個(gè)普通的工業(yè)球磨機(jī)中，加入量與其容量相對(duì)應(yīng)，在球磨機(jī)中這些骨質(zhì)陶瓷塊受到或強(qiáng)或弱的最后成形加工處理。典型的球磨機(jī)基本是由一個(gè)用足夠硬材料制成的且能用蓋子密封的圓筒形容器構(gòu)成。該容器在一定的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上以一定的轉(zhuǎn)速繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速最好是可調(diào)的。替代的設(shè)備可以是離心式、振動(dòng)式和行星式球磨機(jī)。一般地、這樣的球磨機(jī)的容積為1-15升。
通常在處理過(guò)程中，在磨機(jī)內(nèi)加入足夠硬材料的研磨介質(zhì)，研磨介質(zhì)一般為球形。一般磨球直徑為9-50mm之間。球磨機(jī)和磨球由硬質(zhì)瓷或Al2O3組成是較好的。后一種材料比骨質(zhì)陶瓷要硬許多，因此可望沒有磨機(jī)的磨損和磨機(jī)裝載物的污染。
在球磨機(jī)中加工的劇烈程度和持續(xù)時(shí)間及是否加入磨球和磨球的尺寸取決于骨質(zhì)陶瓷塊的原始尺寸和質(zhì)量、取決于材料需要去掉的程度和要求的最終尺寸。磨機(jī)中加入少量磨球或根本不加磨球長(zhǎng)時(shí)間緩慢運(yùn)行是更平緩的，例如在處理低密度、低強(qiáng)度的海綿狀陶瓷的情況下優(yōu)選這種運(yùn)行方式。用相對(duì)大的磨球進(jìn)行短時(shí)間強(qiáng)烈處理在處理較大密度的硬質(zhì)材料時(shí)是有利的。典型的球磨條件的實(shí)例是在裝載量為5升容量為10升的球磨機(jī)中，有研磨介質(zhì)時(shí)運(yùn)行2-6小時(shí)，沒有研磨介質(zhì)時(shí)運(yùn)行6-18小時(shí)。
除了在球磨機(jī)中進(jìn)行“干法”處理外，進(jìn)行“濕法”成形加工可能是有利的。在這種情況下，在球磨機(jī)中外加一種輔助研磨液，磨機(jī)裝載量與液體的體積比可能在0.5-2.5的范圍內(nèi)。用這種方法可能使處理過(guò)程更平緩。此外，在很大程度上，磨掉的顆粒與處理的骨質(zhì)陶瓷塊分離和/或懸浮在懸浮液中。一種優(yōu)選使用的液體是水。也可能使用有機(jī)溶劑作為輔助研磨液，優(yōu)選的是醇類，特別是象甲醇和乙醇都是合適的。使用一種鹽的水溶液作為輔助研磨液也可能是實(shí)用的，優(yōu)選的是鈣鹽或磷酸鹽。如果需要，用這樣的方法可能在球磨加工這樣的早期階段對(duì)骨質(zhì)陶瓷成形制品進(jìn)行化學(xué)改性，例如在表面用鈣離子形成附加層，這樣對(duì)一個(gè)植入件的結(jié)合會(huì)有積極的作用。
根據(jù)本發(fā)明在球磨機(jī)中處理的結(jié)果是完全除去粗預(yù)成型骨質(zhì)陶瓷制品中幾乎不能或根本不能承受機(jī)械應(yīng)力的那些部分。制品或多或少都會(huì)變得圓滑，這取決于處理的性質(zhì)和時(shí)間。特別是去掉暴露在邊角上的薄弱部位使其在隨后的臨床應(yīng)用過(guò)程中不再斷裂掉和/或掉落顆粒。在球磨機(jī)中處理后，大約60-80％所用的骨質(zhì)陶瓷材料成為圓滑的、不規(guī)則的成形制品。用氣孔率來(lái)表示，這些不規(guī)則的制品比目前使用的材料有更大的均勻性。由于機(jī)械加工，只有密度和力學(xué)穩(wěn)定性相對(duì)高的海綿狀區(qū)域保存下來(lái)成為成形制品，因?yàn)樗懈邭饪茁屎土W(xué)不穩(wěn)定的區(qū)域被磨掉。
當(dāng)然，可能不僅使用球磨機(jī)，還可使用其它研磨設(shè)備和/或處理技術(shù)，只要它們能產(chǎn)生類似效果，這是可以理解的。
根據(jù)本發(fā)明的處理最后還要濾出然后再?gòu)氐浊逑茨サ舻牟牧?。充分清洗后，根?jù)本發(fā)明處理的制品在儲(chǔ)存或臨床處理過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生顯著的磨下材料?？煽康厝サ羲心切└哂谄骄鶜饪茁屎偷湍蛻?yīng)力能力的海綿狀區(qū)域，剩余的材料具有明顯高的耐壓強(qiáng)度且具有臨床應(yīng)用所必需的質(zhì)量。大幅度改進(jìn)現(xiàn)用的骨材料的利用是根據(jù)本發(fā)明的工藝的更重要的優(yōu)點(diǎn)，這增加了海綿狀骨質(zhì)陶瓷在內(nèi)植入技術(shù)中使用的經(jīng)濟(jì)活力。
實(shí)施例1取自新宰殺的牲畜的原骨端部，去掉軟組織，鋸成大約30×30×100mm的方塊，用水煮沸1小時(shí)，重復(fù)三次。
然后在110℃干燥骨塊6小時(shí)。接著在氮?dú)庵性?小時(shí)中把骨塊加熱到450℃。此后，在20小時(shí)的時(shí)間內(nèi)從450℃加熱到600℃的過(guò)程中，氣氛按線性關(guān)系變成氧氣。然后在5小時(shí)內(nèi)繼續(xù)加熱到900℃。冷卻后，骨塊放在5％(以重量計(jì))的檸檬酸溶液中(每kg骨材料用10升溶液)在20℃下攪拌處理3小時(shí)，在此處理后，骨塊用軟化水漂洗三次。
對(duì)于最后的燒結(jié)，骨塊在21小時(shí)內(nèi)加熱到1250℃，保溫3小時(shí)，然后冷卻。
得到的骨質(zhì)陶瓷呈現(xiàn)出無(wú)變化的原海綿狀骨的多孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)X射線分析，陶瓷的羥基磷灰石含量約99％。
得到的骨質(zhì)陶瓷用內(nèi)徑為10mm的中空研磨切割機(jī)磨成圓柱體，然后使其長(zhǎng)度為10mm，在此加工過(guò)程中，不需要象生產(chǎn)確定幾何形狀的成形制品那樣注意均勻性、生長(zhǎng)的軟骨、裂紋等。
對(duì)應(yīng)于體積為大約5升的這樣的圓柱放在容量為10升的普通Al2O3質(zhì)工業(yè)球磨機(jī)中研磨18小時(shí)。轉(zhuǎn)速為每分鐘30轉(zhuǎn)，不加研磨介質(zhì)。
然后成形制品在超聲波水浴中用軟化水洗三次，其間要振動(dòng)幾次。成形制品在122℃用蒸汽流蒸壓消毒15分鐘。然后干燥該材料并用空氣流在300℃除去有機(jī)污染物18小時(shí)。就得到了近似為球形的圓角的成形制品，該制品均勻性高，機(jī)械強(qiáng)度高，用真空密封包裝，每包五塊。
實(shí)施例2該過(guò)程如實(shí)施例1所述，但是該過(guò)程中使用生產(chǎn)確定幾何外形的成形制品的廢料、碎片、和下腳料。得到圓滑邊角的不同形狀和尺寸的制品，這些制品均勻性高且機(jī)械強(qiáng)度高。
實(shí)施例3該過(guò)程如實(shí)施例1所述，但是在該過(guò)程中，燒結(jié)材料在去掉皮層物質(zhì)后，用顎式破碎機(jī)把尺寸減小到1-2cm，然后在球磨機(jī)中加入5個(gè)直徑3cm的Al2O3球處理3小時(shí)。在這種情況下，通過(guò)一個(gè)過(guò)濾用的篩子得到高密度的不同形狀的陶瓷塊。在超聲波水浴中除去磨掉的材料后，再進(jìn)行蒸壓消毒和干燥，所得的骨質(zhì)陶瓷塊以每包20g進(jìn)行包裝。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)海綿狀骨質(zhì)陶瓷成形制品的工藝，在該工藝過(guò)程中，經(jīng)過(guò)粗預(yù)成形成塊狀的海綿狀骨通過(guò)除去全部有機(jī)成分而礦物化，然后把礦物化后的骨材料燒結(jié)形成陶瓷，再進(jìn)行最后的成形加工，該工藝的特點(diǎn)是骨質(zhì)陶瓷塊的成形加工是在球磨機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，磨掉骨質(zhì)陶瓷的力學(xué)不穩(wěn)定區(qū)域得到具有圓滑邊角的幾何外形不規(guī)則的成形制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝，其特征為成形加工是在Al2O3質(zhì)球磨機(jī)內(nèi)加入Al2O3磨球進(jìn)行的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝，其特征為成形加工是在水、鹽的水溶液或有機(jī)溶劑的存在下進(jìn)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3所述的工藝制備的具有不規(guī)則幾何外形和圓滑邊角的海綿狀骨質(zhì)陶瓷的成形制品。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備海綿狀骨質(zhì)陶瓷成型制品的工藝過(guò)程，該產(chǎn)品具有不規(guī)則的幾何形狀和圓滑的邊角，而且沒有力學(xué)不穩(wěn)定或不均勻的區(qū)域，該成型產(chǎn)品是通過(guò)在球磨機(jī)中處理海綿狀骨質(zhì)陶瓷塊而得到的。
文檔編號(hào)A61F2/28GK1137928SQ96102009
公開日1996年12月18日 申請(qǐng)日期1996年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月15日
發(fā)明者B·尼斯 申請(qǐng)人:默克專利股份有限公司