專利名稱：骨代用品材料的制作方法
技術領域：
概括地說，本發(fā)明是關于骨代用品材料，特別是關于能夠支持或促進骨生長進入其孔隙內(nèi)的多孔材料。
因此，需要一種可作為骨代用品的產(chǎn)品，它既能作為骨移植材料，還能提供結構支撐作用。在替換或修復下肢長骨，以及為了用于脊椎融合技術時尤其是如此。創(chuàng)傷，骨質(zhì)疏松，嚴重的骨關節(jié)炎或類風濕性關節(jié)炎，關節(jié)置換和骨癌，都可能需要包括使用結構性骨代用品材料在內(nèi)的治療。
成功的骨移植需要有為骨長入提供支架的骨傳導性基質(zhì)；提供誘導骨再生和修復的化學作用劑的骨誘導因子；借助于它們能分化為成骨細胞和破骨細胞的能力，為骨再生提供基礎構件塊的生骨細胞，并且還需要對移植位置提供結構完整性，以使得將被移植物支持的負荷適當。
目前的骨移植材料包括自體移植物(使用來自該病人的骨)，同種異體移植物(使用尸體骨)，以及多種人造的或合成的骨代用品材料。自體移植物由松質(zhì)骨和／或皮質(zhì)骨組成。松質(zhì)骨移植物實際上不提供任何結構完整性。當此移植物引入，并在其下面建造新骨時使骨強度增加。對于皮質(zhì)骨，此移植物最初可提供某些結構強度。但是，當受移植骨滲入此移植物時，不能存活的骨將通過重吸收被除去，使此移植物的強度顯著地降低。使用自體移植骨還可能在取骨位置對病人造成嚴重的疼痛，并且，可從病人獲取這種骨的數(shù)量當然是很有限的。同種異體移植物類似于自體移植物，它們也由松質(zhì)骨和／或皮質(zhì)骨組成，但可獲得較多的數(shù)量和體積。對同種異體移植物的消毒方法可能會損害此種移植物的結構和生物化學特性。使用同種異體移植骨至少要承擔轉(zhuǎn)移疾病的某些危險，以及移植物可能不能很好地被結合的危險。
對于可方便使用的結構性骨修復材料，它們必須能夠形成為適合修復位置的外形所設計的復雜形狀。外形精確相符的移植物將會增進天然骨的整合作用，并可提供較好的負荷支撐能力。為了促進可引導受移植骨滲入移植物的骨重建和再生，常常要求天然骨和骨代用品材料之間有緊密的負荷支撐接觸。
在如下文獻中給出了對可植入矯形術材料的概述Damien，Christopher J和Parsons，Russell J“骨移植和骨移植代用品對當前技術及其應用的述評”，應用生物材料雜志，Vol．2，PP．187-208(1991)。
已有多種材料被建議用作骨代用品材料，一方面包括適合于在膝關節(jié)和髖關節(jié)替換物周圍填充缺陷的成形多孔金屬物體，另一方面還包括成形陶瓷材料。一般來說，可通過燒結處理使陶瓷材料成形，其中是先將陶瓷材料如氧化鋯的粉末在模具內(nèi)壓制成所需要的形狀，然后加熱至燒結溫度。這樣所形成材料的多孔性通常是非常低。采用磷酸鈣(例如氟磷灰石，羥磷灰石和磷酸三鈣)的材料也可以用這種方式燒結，這種磷酸鈣具有充當骨生長基質(zhì)的能力(骨傳導性)。
已有人建議先將陶瓷粉末如氧化鋯和羥磷灰石，或者氟磷灰石和尖晶石混合均勻，然后在模具內(nèi)壓制此混合物，并燒結或均勻地熱壓形成稍微多孔的氧化鋯陶瓷，這種陶瓷具有至少部分地填充了羥基磷灰石的孔隙。參閱Tamari等的美國專利4，957，509，以及Aksaci，D等，用于骨橋的多孔氟磷灰石／尖晶石骨陶瓷，陶瓷會刊，Vol．48，p 283(1995)。還有人建議使用既具有高多孔結構部分，又具有低多孔結構部分的陶瓷制品，參閱Hakamatsuka等的美國專利5，152，791，Johansson的美國專利5，464，440，和Borom的美國專利4，237，559。還可參見Klawitter等的美國專利4，000，525。后一參考文獻是使用Al2O3滑泥，使其發(fā)泡形成多孔結構，然后加熱燒制。
總的來說，被提議用于骨代用品的金屬或陶瓷材料都是低孔隙度的，此制品包括例如具有以磷酸鈣基礎材料填充或包涂的部分多孔表面的基本上致密的金屬和陶瓷。所形成的結構具有致密的金屬核心或陶瓷核心，以及核心材料和磷酸鈣組合物的表面，或者基本上是磷酸鈣的表面。這種類型的骨代用品材料通常重而且致密，并且常常是結構明顯地比骨堅硬。參閱美國專利5，306，673(Hermansson等)，4，599，085(Riess等)，4，626，392(Kondo等)，和4，967，509(Tamari等)。
在一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種敞口分隔成小室的制品或網(wǎng)絡結構，它具有限定整個容積的外表面，和具有延伸貫通整個體積并開口通向外表面的相互連通的孔道。該制品包含一種連續(xù)的支撐性堅固框架結構，優(yōu)選地是陶瓷結構，此框架結構具有分隔許多貫通整個體積的相互連通空隙的支柱，此制品還包含一種多孔的骨傳導性組合材料，此組合材料攜帶于支撐性框架內(nèi)，并暴露于相互連通的孔道。這種多孔的骨傳導性組合材料占據(jù)至少與框架成分相同總體積的一部分。合乎要求地，本發(fā)明的制品具有在20％-90％范圍內(nèi)的空虛體積，優(yōu)選地至少為50％。進而，此支撐性框架成分孔道的平均尺寸，合乎要求地至少為50μm，優(yōu)選地在200μm-600μm的范圍內(nèi)。
在一個優(yōu)選的實施方案中，其支撐框架和骨傳導性組合物每種都是顯示出3，3連通性的連續(xù)的三維結構，并占據(jù)至少相同總體積的一部分，而優(yōu)選地是其全部，每種連續(xù)的結構都具有與其它孔道相互連通的孔道。骨傳導性組合物可能是包含在支撐框架的孔隙內(nèi)，優(yōu)選地是作為支柱表面的連續(xù)相，并且骨傳導性組合物的孔隙與支撐框架結構的空隙連通，但可能與它們一起共同延伸或不延伸。
在還有另一實施方案中，其支柱是由一種混合物或復合材料組成，它們含有支撐性材料以及骨傳導性材料，此支撐性材料為制品提供強度，而骨傳導性材料至少部分地攜帶于其空隙的表面，這樣使它暴露于相互連通的孔道，以便提供有助于骨生長的骨傳導性環(huán)境。
在另一個實施方案中，本發(fā)明包括上述幾種類型中任何一種的敞口分隔成小室的制品，它包含附著于第一種材料整個體積表面的第二種基本上是致密的連續(xù)性材料成分，此第二種成分具有不大于其總體積10％的孔隙度。這種基本上是致密的相，可能是陶瓷，聚合物，金屬或復合材料，此產(chǎn)品可能具有作為可移植假肢的髖部心柱或脛骨托盤的用途。
在一種優(yōu)選的方法中，是通過使陶瓷粉如氧化鋯與一種有機粘合劑和水混合形成分散體，而制成陶瓷材料的滑泥漿。用這種陶瓷滑泥漿浸濕和包涂一種有機的網(wǎng)狀泡沫膠的支柱表面，此泡沫膠可以是例如由聚亞胺酯，聚酯或聚醚等構成的各種市售泡沫膠的一種。可將此網(wǎng)狀材料浸泡在滑泥漿內(nèi)，然后取出并瀝干除去多余的滑泥漿。如果需要，可通過多種方法中的任何一種，進一步除去多余的滑泥漿，包括使此材料在一對緊密間距的滾筒之間通過，或通過以一股氣流沖擊此材料。改變此滑泥漿的濃度，粘滯度和表面張力，可對保留在泡沫膠支柱表面的滑泥漿的量提供控制。為此目的濕潤劑和粘滯度控制劑也可以使用?？梢詰脧V泛多種網(wǎng)狀的敞口材料，包括天然和合成的海綿狀材料，以及編織的和非編織的材料，只是在此實施方案中必不可少的是，此敞口的多孔材料能夠使陶瓷滑泥漿材料，通過結構中的孔道基本完全地滲入。
一旦用滑泥漿包涂了網(wǎng)狀支柱，可通過干燥法除去滑泥漿的溶劑，理想的是溫和地加熱，然后對此結構升溫至燒結溫度，在此溫度下，陶瓷顆粒至少部分地相互燒結形成類似于網(wǎng)狀支柱構型的，堅固的具有少量網(wǎng)架的結構。在達到燒結溫度之前，合乎要求地是使經(jīng)滑泥漿處理過的海綿狀材料保持在能使有機材料熱解或燒去的溫度下，遺留下不完全燒結的陶瓷框架結構，然后使它升溫至適當?shù)臒Y溫度。
對于大多數(shù)有機物，熱解或氧化溫度的范圍大約是200℃-600℃，而對于與本發(fā)明有關的大多數(shù)陶瓷，燒結的溫度范圍是大約1100℃-1600℃。對于這些結構成分，氧化鋯和礬土，或者基于氧化鋯和礬土的組合物是優(yōu)選的陶瓷材料。用于骨傳導性部分的陶瓷材料的實例包括，磷酸鈣(例如羥基磷灰石，氟磷灰石，磷酸三鈣以及它們的混合物)，生物活性玻璃，骨傳導性水泥，以及含有硫酸鈣或碳酸鈣的組合物。
可用于形成強硬的連續(xù)性框架成分的金屬包括鈦，不銹鋼，鈷／鉻合金，鉭，鈦-鎳合金如Nitinol(鎳鈦金屬互化物)，以及其它一些超彈性金屬合金。參閱Itin等，“多孔性Nitinol的機械性能和形狀記憶”，材料品質(zhì)鑒定[32]，PP．179-187(1994)；Bobyn等，“多孔性鉭植入材料的骨向內(nèi)生長的動力學和表面力學”，矯形學研究學會，第43屆年會會刊，p．758，1997年2月9-13日，加州舊金山；以及Pederson等，“對用于治療無血管供應壞死的多孔性鉭材料的有限成分品質(zhì)鑒定”，矯形學研究學會，第43屆年會會刊，p．598，1997年2月9-13日，加州舊金山，所有這些資料均被引入作為參考。
可借助于多種加工程序使金屬形成堅硬，連續(xù)的支撐性框架結構，包括燃燒合成，噴鍍在一種“泡沫膠”基質(zhì)上，化學煙霧沉積法(見美國專利5，282，861)，脫模技術(見美國專利3，616，841)，起泡沫的熔融金屬(見美國專利5，281，251，3，816，952和3，790，365)，以及如用于陶瓷粉末所述的，用金屬粉末淤漿對網(wǎng)狀的多聚泡沫膠進行復制。
適合用于本發(fā)明的骨傳導性材料和骨誘導性材料是生物學可接受的材料，骨傳導性材料包括如膠原蛋白和包括羥基磷灰石，磷酸三鈣和氟磷灰石在內(nèi)的各種形式的磷酸鈣，骨誘導性物質(zhì)包括例如骨形態(tài)發(fā)生蛋白(例如rhBMP-2)，脫礦物質(zhì)的骨基質(zhì)，轉(zhuǎn)化生長因子(例如TGF-β)，成骨細胞，以及已知誘導骨形成的各種其它的有機物質(zhì)。骨誘導物質(zhì)如BMP也可以用于本發(fā)明的制品，例如，通過在I型膠原蛋白稀釋懸液中的這種物質(zhì)的水溶液中浸泡此制品?？蓪⒐钦T導物質(zhì)如TGF-β，在含有有效濃度TGF-β的生理鹽水中用于本發(fā)明的制品。
可以認為，具有相互連通空隙或孔道的連續(xù)性支撐框架是主要的負荷承受成分，骨傳導性材料通常比此支撐框架弱。如上面所述，此支撐性框架優(yōu)選地是由陶瓷材料如氧化鋯構成。如此形成的框架結構，使其空隙或孔道本身的寬度，平均大于分隔相鄰空隙的支柱的厚度。這種負荷承受框基本上是完全連續(xù)性的，本身按三維結構相互連接，其孔隙部分基本上也是完全連貫的，本身也以三維空間相互連通。這二個三維相互連接的部分是彼此滲透的?？梢园堰@種結構稱為3-3連通性結構，在此第一個數(shù)字指的是連接負荷承受框架結構的維數(shù)，第二個數(shù)字指的是連接孔隙部分的結構維數(shù)。在Newnherm等的如下論著中對此連通性概念作了比較詳細的說明；“連通性和壓電復合材料”，材料研究公報，Vol．13，PP．525-536(1978)，特此引入此文獻作為參考。對于在此所述的支撐框架，因為它是按3維連接，框架本身有數(shù)字3，對于其孔隙部分也可同樣看待。相比之下，部分地被燒結的粉末組合物，恒定地含有一些不與所有的其它孔隙連通的分隔的小孔和空隙。在一種致密的基質(zhì)中含有完全分隔的(即盲端)小孔的材料，具有3-0的連通性。一種材料具有一維通過基質(zhì)完全相通的小孔，此材料構成3-1的連通性，而一種材料具有除了第三個面外有二個垂直而相互連通的小孔，此材料將具有3-2的連通性。
在支撐框架中孔道的尺寸優(yōu)選地是至少約50μm，并且優(yōu)選地是在200μm至大約600μm的數(shù)量級。優(yōu)選地是基本上沒有小于50μm的小孔或空隙。應該理解的是，此支撐框架中的孔道是無數(shù)不規(guī)則形狀的孔道。通過它可發(fā)生生物向內(nèi)生長過程的相互連通的孔道或空隙，構成了在其中骨可向內(nèi)生長并形成血管的三維迷宮，也就是說，這些孔道具有與其它孔道的許多連接處，因此構成了通過此框架的曲折路徑。一般認為，為了適當?shù)刂С止窍蚩蚣艿目椎纼?nèi)生長，這些孔道必須能夠容納具有至少約50μm橫切面積的組織管道。從概念上可簡便地想像，本發(fā)明材料中一個50μm的孔道，能夠容納一條具有圓形切面和50μm橫徑的“蠕蟲”通過它。換句話說，50μm的孔道應該使具有50μm直徑的小球能夠通過它。雖然還沒有我們已知的用于測量孔道尺寸完全滿意的方法，但是有可能測定本發(fā)明制品斷面的掃描電子顯微鏡照片，觀察其結構的平面投影，畫幾條穿過此顯微鏡照片的直線，測量與此直線相交的孔道，并且可應用均分和標準的偏離技術，使之能夠估算出這些孔道的尺寸。
本發(fā)明制品的一個重要特點是，制品的空隙至少部分地保持敞開，甚至存在骨傳導性和／或骨誘導性材料。“敞開”，在意義上是指這些空隙沒有被堵塞，液體可以從一側(cè)到另一側(cè)完全地通過此制品。
當用于構成支撐性框架時，氧化鋯和其它的陶瓷是非常硬的，并且遠比骨更堅硬。雖然理想的是應用具有更近似于骨彈性模量的材料作為支撐性框架，但是，本發(fā)明應用具有完全開放空隙的堅硬材料的骨代用品材料也能良好地起作用。據(jù)認為，在愈合過程中，當侵入的骨深深地滲透進入該制品的空隙時，骨與這種多孔制品的最終結合發(fā)生在較大的表面積和深度上。堅固的骨／陶瓷界面導致壓力能夠容易地轉(zhuǎn)移至陶瓷框架，并且從此框架移開，同以小面積的表面對表面接觸和很少或沒有骨滲透進入此制品的骨／陶瓷結合形成的結構相比較，具有顯著較小的應力集中。
當使用的骨傳導性材料是一種陶瓷如羥基磷灰石等磷酸鈣，并且其支撐框架是一種陶瓷如氧化鋯時，可采用幾種方法制備本發(fā)明的制品。如上面所述，可通過如下步驟制造支撐性氧化鋯框架結構先在網(wǎng)狀有機材料如聚亞胺酯，聚酯或聚醚等泡沫膠的支柱表面包涂氧化鋯滑泥漿，隨后對包涂的泡沫膠升高溫度，以便驅(qū)除滑泥漿的溶劑，熱解或燒去有機泡沫膠材料，最后加熱此陶瓷，導致陶瓷顆粒至少部分地燒結。
一旦此陶瓷框架結構冷卻之后，可用包含磷酸鈣(例如羥基磷灰石)的滑泥漿包涂它的支柱，使多余的滑泥漿從框架結構中瀝去，后一種材料在框架材料上形成涂層。因為純磷酸鈣不能很好地與純氧化鋯結合，理想地是提供包含二種材料組分的插入層。可將所形成的材料再次加熱，以便驅(qū)除滑泥漿溶劑，并且如果需要，同時燒結此羥基磷灰石材料，使其顆粒與另一種材料的顆粒至少部分地融合。在此結構中，所形成的支撐框架結構的空隙從一面至另一面是敞開的，并且第二種骨傳導性材料的空隙是彼此連續(xù)，相互連通的，而且與支撐框架成分的空隙相互連通(并與它們共同延伸)。
在制備這種制品時，合乎要求的是加熱此氧化鋯框架成分，使之達到滑泥漿的溶劑基本上被全部驅(qū)除并開始部分地燒結的溫度。這種狀態(tài)被稱為部分燒結階段。在此時，可使用羥基磷灰石滑泥漿或組合的氧化鋯和羥基磷灰石滑泥漿，加熱驅(qū)除滑泥漿的溶劑，然后使氧化鋯和羥基磷灰石升溫至燒結溫度，被共同燒結。
在上述此實施方案的一個改良方案中，可對羥基磷灰石滑泥漿加入粘性控制劑和泡沫發(fā)生劑如過氧化氫，或者通入壓縮氣體。當把羥基磷灰石滑泥漿導入氧化鋯支撐框架結構時，加熱可導致滑泥漿起泡并形成泡沫，以致在羥基磷灰石基質(zhì)中形成了許多更小的孔隙，羥基磷灰石材料的這些孔隙仍然保持基本上相互連通，連續(xù)，并與氧化鋯框架結構的孔隙相互連通。
在另一個實施方案中，用于包涂聚合物泡沫膠并產(chǎn)生網(wǎng)格的滑泥漿，含有支撐性框架材料(如氧化鋯)和骨傳導性材料(如羥基磷灰石)二種組分。用滑泥漿包涂這種網(wǎng)狀的聚合物基質(zhì)，并使多余的滑泥漿瀝干。使此制品通過擠壓滾筒或用壓縮空氣沖擊制品，可進一步除去多余的滑泥漿。將形成的材料加熱驅(qū)除溶劑，熱解其有機組分，并且共燒結此復合材料的二種成分。在此氧化鋯-羥基磷灰石系統(tǒng)中，相對于總的氧化鋯／羥基磷灰石體積，骨傳導材料(羥基磷灰石)的含量范圍優(yōu)選地高達大約50％的體積，而更優(yōu)選地是大約10％-25％的體積，使用了足夠的骨傳導性材料，以致對于生長中的骨能提供一個骨傳導性表面。適合的結構可能使用例如25％體積的羥基磷灰石和75％體積的YSZ(氧化釔穩(wěn)定化的氧化鋯)。該網(wǎng)狀制品結果是具有由這二種材料的均勻混合物構成的支柱。在氧化鋯支柱的表面，羥基磷灰石可能似乎像一些渺小的島嶼。但無論如何，在此實施方案中其骨傳導性材料仍然是暴露于制品中的孔道，使之對于正在侵入的骨可提供一種骨傳導性作用。
當其框架成分是金屬時，可以按照相同于用陶瓷材料框架成分時的方式，構成具有相互連通孔隙的二部分系統(tǒng)，也就是說，可將骨傳導性材料摻入支柱內(nèi)，或者可在金屬支柱的壁上包涂，或者使之在此空隙內(nèi)發(fā)生泡沫并被燒結。
可以通過幾種方法使本發(fā)明的骨代用品材料形成適當?shù)男螤?，用作骨代用品。在一個優(yōu)選的方法中。應用普通的切割工具如剪刀，削皮刀(scalpels)，和熱絲切削刀(hot wire cutter)等，可簡便地切割，使具有敞口空隙的有機材料如網(wǎng)狀的聚亞胺酯泡沫膠形成所要求的形狀。所述任何一種方法成形的泡沫材料，可用于制成本發(fā)明的制品。在另一種方法中，是用氧化鋯或其它陶瓷滑泥漿包涂如前面所指出的有機泡沫膠，將它加熱驅(qū)除溶劑并使陶瓷轉(zhuǎn)變成“未成熟”狀態(tài)，此時可使它成形為所需要的形狀。在再一種方法中，可借助于標準的機械方法如鋸和磨，噴水或激光切割等，使已完全燒結的本發(fā)明骨代用品成形。
如果該制品的支撐框架是金屬的，那么可在導入骨傳導性或骨誘導性材料之前，通過適當?shù)臋C械加工使它成為所需要的形狀。可設法首先用蠟填充金屬材料的孔隙，并使形成的結構凝結，這樣在機械加工過程中，蠟可支撐此金屬結構，隨后驅(qū)除蠟只要使蠟熔化。當金屬框架成分含有非常薄的壁結構，并具有大的空隙，因此其支柱易被無意彎曲時，這種處理可能特別有用。
在另一實施方案中，本發(fā)明的制品包含已加入彈性材料的支撐框架，此框架本身具有比較大的孔道和高度空虛的體積，并附著在一起，因為燒結成了較致密的次級結構成分，它可能是相同或不同的材料，但是它具有較小的孔道和較小的空虛體積。優(yōu)選的情況是，這種較致密的部分基本上是完全致密的，也就是說，它具有小于10％的空虛體積。此較致密的部分可形成如下各種形狀半管形板材，用于整個髖部和膝部置換的棒材，可用作在長骨髓內(nèi)道管中可接受的心柱，或者是可用作膝部假肢脛骨托盤的板材等等。后一種材料可形成如棒材或心柱，可用于股骨髖部心柱假肢或脛骨托盤假肢，或者可形成與第一部分相關聯(lián)的薄層，以致使所形成的結構類似于天然骨，其中第二部分可能像皮質(zhì)骨-堅硬，致密，作為骨的外層，而其第一部分可能稍微更敞開和多孔，并因此更近似于松質(zhì)骨。
圖4顯示了一個股骨髖部假肢桿30，完全用陶瓷制成，此假肢具有致密的桿狀部分32，終止在關節(jié)球36中的頸角部分34，以及肩角部分38。如在圖4中所示，其肩角部分包含本發(fā)明制品的厚層40，它具有含較大孔隙的框架，附著在假肢較致密的部分42上。當此假肢被植入伸展的股骨中，包涂層38有助于骨向其內(nèi)生長。
圖4顯示了一個脛骨托盤50，它具有超高分子量聚乙烯的上板52，此上板具有關節(jié)上表面54。此超高分子量聚乙烯板由本發(fā)明致密材料制成的板56支撐，板56與向下伸展的支桿58形成一個整體。以板材60的形式顯示了本發(fā)明的敞口框架材料，它放置在板56底部形成的向下開口的凹槽62中，此框架材料60向下延伸至大約支桿的上端，如64所示，是較厚的一層，有助于在此區(qū)域骨向其內(nèi)生長。
可借助于任何普通的陶瓷成形技術，制備這種結構的致密部分，如滑泥鑄型，帶狀鑄型(tape casting)，或者在一種“泡沫膠”的表面包涂和干燥連續(xù)的幾層滑泥，直至形成一個致密層。干壓制，灌注造型和擠壓技術也可能是適用的。為了使“未成熟的”致密部分與“未成熟的”低密度部分結合，可通過使用與用于形成低密度部分的滑泥基本類似的組合材料陶瓷滑泥，或者在用于滑泥鑄件致密部分時，使用與用于形成致密部分的滑泥基本類似的組合材料陶瓷滑泥?！拔闯墒斓摹痹诖艘庵柑沾芍破返臓顟B(tài)，它已成形并干燥形成了本身的支撐結構，但是還沒有從其中除去有機組分。按另一種方式，除了上面列舉的材料之外，此致密部分還可以由可再吸收的聚合材料，可再吸收的陶瓷材料或可再吸收的組合材料構成。
在外科手術過程中，例如為了使此制品與骨粘連，可用磷酸鈣水泥填充本發(fā)明制品的孔隙。當孔隙內(nèi)的磷酸鈣水泥變硬時，可提供對制品的穩(wěn)固連接。
參照下面非限制性實施例，可能更容易理解本發(fā)明實施例1通過組合如下成分，并在聚乙烯容器內(nèi)使用氧化鋯介質(zhì)，借助于球磨研磨徹底地將它們混勻150克部分穩(wěn)定化的氧化鋯粉末(Zirconia Sales America)2．25克分散劑(Rohm and Haas，產(chǎn)品D-3021)15克粘合劑(Rohn and Hass，產(chǎn)品標志號B-1000)0．375克表面活性劑／濕潤劑(Air Products SurfynolTMTG)0．26克抗發(fā)泡劑(Henkel NopcoTMNXZ)36ml去離子水將每英寸具有10-80個孔隙的網(wǎng)狀聚酯-聚亞胺酯泡沫膠片(Stephenson and Lawyer)浸泡于上面的滑泥漿中，反復揉壓除去里面的氣泡。從滑泥漿中取出泡沫膠，使之瀝干多余的滑泥漿。再使此泡沫膠在一對不銹鋼擠壓滾筒之間通過幾次，進一步除去多余的滑泥漿。先在室溫下使形成的泡沫膠條干燥，隨之以高達100℃的溫度在空氣中干燥。當此泡沫膠條顯示干燥時，再將它們加熱，以便熱解并除去有機物(粘合劑，分散劑，表面活性劑，抗泡沫劑和網(wǎng)狀聚合泡沫膠)，然后在大約1400℃的溫度燒結1小時。為上述目的，優(yōu)選的熱循環(huán)過程包括，以每分鐘2℃的速度使泡沫膠條升溫至600℃，在600℃保持溫度2小時，然后以每分鐘5℃的速度升溫至1400℃，在此溫度保持1小時。然后以每分鐘大約10℃的速度使加熱爐冷卻至室溫。
所形成的產(chǎn)品是具有大約76％空虛體積的堅硬，重量輕，多孔的氧化鋯框架材料或氧化鋯的網(wǎng)絡材料。然后用含有氧化鋯和羥基磷灰石的滑泥漿包涂此框架結構。如上所述，通過混合和球磨研磨如下成分可制備這種滑泥漿75g部分穩(wěn)定化的氧化鋯(Zirconia Sales America)12．89g羥基磷灰石(Plasma Biotal)
1．5g D3021分散劑10g B-1000粘合劑0．25g SurfynolTMTG表面活性劑／濕潤劑0．24g Nopco NXZ抗發(fā)泡劑32ml去離子水羥基磷灰石占羥基磷灰石和氧化鋯組合體積的25％。
將如上面所述制備的氧化鋯條浸泡在此滑泥漿中，并機械攪拌除去氣泡，確?；酀{完全滲入孔隙中。瀝干多余的滑泥漿，并用壓縮空氣氣流進一步除去滑泥漿。使此氧化鋯條干燥，然后以每分鐘5℃的速度升溫至1400℃燒結溫度，并在此溫度保持1小時。所形成的產(chǎn)品包含堅硬的氧化鋯陶瓷框架結構，它的支柱具有由75％體積氧化鋯和25％體積羥基磷灰石組成的表面層。此產(chǎn)品的結構顯示在

圖1中，可注意支持氧化鋯的支撐框架結構的敞開特性，以及其框架結構和羥基磷灰石的3，3連通性。
如果需要，可對上述結構加入一個或幾個附加層。例如在一個實施方案中，將上述結構的標本浸泡于包含大約50％體積氧化鋯和羥基磷灰石的滑泥漿中，然后將標本瀝干，干燥，并如上面所述在1400℃燒結。
實施例2此實施例是描述氧化鋯-羥基磷灰石組合材料支撐框架結構的制備方法，此框架結構的支柱涂有羥基磷灰石涂層。
制備了二種陶瓷滑泥漿。第一種含有包含15％體積羥基磷灰石的氧化鋯，被稱為ZHA-15滑泥漿，是用下列成分如實施例1通過球磨研磨制成273．99g部分穩(wěn)定化的氧化鋯26．01g羥基磷灰石(HiMed)3g聚(環(huán)氧乙烷)粘合劑(Acros)6g分散劑(DarvanTMC，R．T．Vanderbilt)0．75 SurfynolTMTG表面活性劑／濕潤劑126ml去離子水第二種滑泥漿被稱為HA滑泥漿，是用下列成分通過球磨研磨制成
50g羥基磷灰石(HiMed)0．5g聚(環(huán)氧乙烷)粘合劑(Acros)0．125g SurfynolTMTG表面活性劑／濕潤劑1g分散劑(DarvanTMC，R．T．Vanderbilt)76ml去離子水將實施例1中的網(wǎng)狀聚酯-聚亞胺酯泡沫膠標本，如實施例1用ZHA-15滑泥漿包涂。將此包涂的標本干燥成“未成熟”狀態(tài)，然后如實施例1加熱處理，除去有機物質(zhì)，并在1400℃燒結。
取決于氧化鋯和羥基磷灰石的相對用量，羥基磷灰石可能像在其支柱表面的小“島”，這顯示在圖3中。使用足夠量的羥基磷灰石或其它骨傳導性材料，這樣可對支柱表面提供骨傳導特性。
冷卻之后用HA滑泥漿包涂此標本，然后干燥，加熱除去有機物質(zhì)，并在1400℃燒結。所形成結構的支柱是由含有15％體積羥基磷灰石的部分穩(wěn)定化氧化鋯復合材料核心和羥基磷灰石表面層組成。
實施例3制備了一種如上面所述的由開放孔道結構組成的“外骨架”結構，其開放的孔道結構結合于致密的支持“板”，此支持板在一個實施方案中是由氧化鋯組成，在另一實施方案中是由ZHA-15組成，此開放的孔道結構模擬松質(zhì)骨，致密的結構模擬皮質(zhì)骨。
分別使用實施例1的氧化鋯滑泥漿和實施例2的ZHA-15滑泥漿，在平板狀熟石膏表面作氧化鋯和ZHA-15的支持板滑泥漿鑄型。在濕滑泥漿被鑄型之后，立即將如在實施例2中所制備的ZHA-15的未成熟網(wǎng)狀結構置于每種實施方案的濕滑泥漿中。將所形成的標本干燥，加熱，當它們達到“半干”狀態(tài)時對此板部分進行修整。先在空氣中干燥，然后在烤箱內(nèi)100℃的溫度干燥。進一步加熱此標本，以便除去有機物質(zhì)，并將每種標本在1400℃燒結成為一個整體。冷卻之后，將每種標本模擬松質(zhì)骨的多孔部分用ZHA-15滑泥漿進行再包涂。用壓縮空氣除去多余的滑泥漿，使標本再干燥之后在1400℃燒結1小時。形成的每個標本都顯示出類似于松質(zhì)骨的高度多孔部分，它穩(wěn)固地被結合于類似于皮質(zhì)骨的較致密的板狀部分，顯示在圖4中。
實施例4通過組合和混勻下列成分制備了含羥基磷灰石的懸液20g羥基磷灰石18ml含1％泡沫膠穩(wěn)定劑的水溶液(LatticeTMNTC，F(xiàn)MCCorp)18ml 3％過氧化氫溶液如實施例1制備氧化鋯標本并燒結，形成一種內(nèi)骨架性框架，并用此羥基磷灰石懸浮液填充這種框架的孔道。以每小時10℃的速度升溫至80℃加熱此標本，并在此溫度保持2小時。對其中懸液的加熱引起過氧化氧分解，釋放出氧氣泡。這些氣泡導致懸液發(fā)生泡沫并上升。進一步加熱，可使羥基磷灰石泡沫狀結構穩(wěn)定化。將此標本進一步加熱除去有機物質(zhì)，并在1300℃燒結1小時。所形成的結構顯示在圖2中，此結構包含一種氧化鋯框架結構，它具有以高度多孔的羥基磷灰石泡沫膠(大約50％體積的孔隙空間)部分填充的孔道。如所顯示，氧化鋯框架結構的空隙或孔道保持開放和未堵塞狀態(tài)，并且氧化鋯框架結構的孔道與泡沫狀羥基磷灰石涂層的孔隙相連通。
盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但應該理解的是，在不脫離本發(fā)明原理和所附權利要求范圍的情況下，可以作出多種改變，應用和改進。
權利要求
1．一種可用作骨代用品材料的堅硬的多孔性制品，它具有限定整個體積形狀的外表面，還具有延伸貫穿整個體積并開放通向外表面的相互連通的孔道，該制品包含一個連續(xù)的堅固支持框架結構，此結構具有分隔許多貫穿整個體積相互連通空隙的支柱，該制品還包含一種多孔的骨傳導性組合物，此組合物是由支撐框架結構攜帶，并暴露于相互連通的孔道。
2．權利要求1的制品，其中所述的骨傳導性組合物延伸貫穿其整個體積。
3．權利要求1的制品，其中所述支撐框架結構的相互連通的空隙終止在外表面，并且其中的骨傳導性組合物從所述形態(tài)的外表面向內(nèi)部延伸，但是不貫穿此形態(tài)的整個體積。
4．權利要求1的制品，其中所述的骨傳導性組合物是作為連續(xù)的涂層被攜帶在所述的支柱上。
5．權利要求1的制品，其中所述的骨傳導性組合物包含與支撐框架結構空隙連通的，但不與它們共同延伸的孔隙。
6．權利要求1的制品，其中所述的支撐框架結構具有整個制品體積至少50％的空虛體積。
7．權利要求1的制品，其中所述的支撐框架結構包含摻入支柱的骨傳導性組合物。
8．權利要求1的制品，在所述孔道內(nèi)包含磷酸鈣骨質(zhì)水泥。
9．權利要求1-6中任何之一的制品，包含一種附著于其整個體積表面，并具有孔隙度不大于10％的比較致密的結構成分。
10．權利要求9的制品，其中所述的結構成分包括一種棒材，可用作在長骨髓內(nèi)導管中可接受的心柱。
11．權利要求9的制品，其中所述的結構成分包括一種板材，可用作膝部假肢的脛骨托盤。
12．權利要求1-8中任何之一的制品，其中所述的支撐框架結構是陶瓷。
13．權利要求1-8中任何之一的制品，包含一種由所述結構攜帶并暴露于所述空隙的骨傳導性材料。
14．一種可用作骨代用品材料的堅硬的多孔制品，它具有限定整個體積形狀的外表面，還具有延伸貫穿整個體積并開放通向外表面的相互連通的孔道，該制品包含含有氧化鋯的，連續(xù)的堅固支撐框架結構，此框架結構具有分隔許多貫穿整個體積相互連通空隙的支柱，該制品還包含一種多孔的骨傳導性組合物，此組合物是由支撐框架攜帶，并暴露于相互連通的孔道。
15．權利要求14的制品，其中所述的支撐框架結構包含一種陶瓷骨傳導性成分，它沿著所述的支柱分布于不連續(xù)的位置，并暴露于所述的相互連通的孔道。
16．權利要求14的制品，其中所述的骨傳導性組合物是作為在所述支柱上形成的基本上連續(xù)的涂層被攜帶，并且其中所述的支撐框架結構和骨傳導性組合物具有3-3連通性。
17．權利要求15或16的制品，其中所述的陶瓷骨傳導性組合物包含磷酸鈣化合物。
18．形成一種可用作骨代用品的陶瓷制品的方法，該陶瓷制品具有限定整個體積形狀的外表面，還具有開放的，延伸貫穿整個體積并開放通向此外表面的相互連通的孔道，該方法包括提供一個有機物的開放性孔隙結構，用陶瓷滑泥漿包涂此結構的孔隙表面，熱解有機物結構以便遺留下陶瓷結構，此陶瓷結構具有分隔許多相互連通空隙的支柱，還包括在所述空隙內(nèi)提供一種暴露于相互連通孔道的多孔性骨傳導組合物。
19．權利要求18的方法，包括燒結此陶瓷結構的步驟。
20．權利要求19的方法，其中所述的燒結步驟是在向所述相互連通的空隙內(nèi)提供骨傳導性組合物之前進行。
21．權利要求19的方法，其中所述的燒結步驟是在向所述相互連通的空隙內(nèi)提供骨傳導性組合物之后進行。
22．權利要求19的方法，包括在用陶瓷滑泥漿包涂其孔隙之前，使所述有機物的開放性多孔結構成形為預定形狀的步驟。
23．權利要求19的方法，包括在用陶瓷滑泥漿包涂其孔隙之后，使所述有機物的開放性多孔結構成形為預定形狀的步驟。
24．形成一種可用作骨代用品的陶瓷制品的方法，該陶瓷制品具有限定整個體積形狀的外表面，還具有開放的，延伸貫穿整個體積并開放通向此外表面的相互連通的孔道，該方法包括提供一個有機物的開放性孔隙結構，用陶瓷滑泥漿包涂此結構的孔隙表面，此結構包含堅固的陶瓷支撐材料和分隔的骨傳導性材料，該方法還包括熱解有機物結構以便遺留下陶瓷結構，此陶瓷結構具有分隔許多相互連通空隙的支柱，還包括燒結此陶瓷結構，使其骨傳導性材料暴露于相互連通的孔道。
25．權利要求24的方法，包括將磷酸鈣骨質(zhì)水泥注入所述孔道的步驟。
全文摘要
一種可用作骨代用品材料的堅固的多孔性制品。它具有限定整個體積形狀的外表面,并具有延伸貫穿整個體積,并開放通向外表面的相互連通的開放性空隙。該制品包含連續(xù)的堅固框架結構,此結構具有貫穿整個體積相互連通的空隙,該制品還包含第二種連續(xù)的結構材料,此材料占據(jù)至少與框架結構相同總體積的一部分。第二種材料包含骨誘導性和/或骨傳導性組合物。這種組合物可以幾種形式中的一種形式存在。其中第一種是作為框架結構表面的包涂層。第二種形式是復合材料的形式,在框架結構的支柱內(nèi)緊密地用框架材料混合。第三種形式是作為框架結構空隙內(nèi)的多孔性物質(zhì),具有彼此相互連通的,并與框架結構的空隙相互連通的孔隙。理想的情況是,這種多孔的骨誘導性或骨傳導性組合物延伸貫穿整個體積。在優(yōu)選的實施方案中,其框架結構是由陶瓷材料構成。在另一個實施方案中,其框架結構可用完整地粘接于它的致密的材料成分,作進一步結構加強。
文檔編號A61L27/56GK1290181SQ98811730
公開日2001年4月4日 申請日期1998年9月30日 優(yōu)先權日1997年10月1日
發(fā)明者W·D·約翰森, J·R·約翰森, J·G·馬克斯 申請人:菲利普斯－奧里根陶瓷技術有限公司