用于促进骨结合的外科植入物的制作方法

专利名称：用于促进骨结合的外科植入物的制作方法
技术领域：
本发明涉及牙科植入物，具体地涉及牙科植入物，该牙科植入物具有促进植入物结合到周围骨和软组织中的表面结构。
背景技术：
本申请是对在美国专利No.6,419,491和No.6,454,569中阐明的我们的发明的改进，这两个美国专利涉及牙科植入物，该牙科植入物具有适于促进植入物骨结合到周围骨中的表面结构。
同样，本发明也是对现有技术的改进，所述现有技术例如授予Hansson的名称为“Fixture For Use In a Dental System”的美国专利No.5,558,838(1996)；授予Wagner的名称为“Dental Implant Having MultipleTextured Surfaces”的No.5,989,027(1999)；授予Mears的名称为“Regeneration Of Living Tissues By Growth of Isolated Cells In PorousImplants”的No.4,553,272(1985)；授予Naiman的名称为“System andAssemblage for Producing Microtexturized Substrates and Implants”的No.5,607,607(1997)；授予Curtis的名称为“Wound Healing Material”的No.5,833,641(1998)；以及授予Singhvi的名称为“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)。
在现有技术中，焦点在于使用随机的微凹陷、孔或纵槽来促进骨结合，或者，如在我们的上述现有发明中的那样，采用呈交替的脊和槽的形式的有序的微几何重复性表面图样。尽管，我们的所述现有专利(例如参见美国专利No.6,419,491的图7)建议可采用具有有序的微几何重复性表面图样的不规则水平表面，但本发明进一步详述了可以实现这一点的方式，从而提出了在有序的微几何重复性表面图样的框架内，与位于外科植入物和周围各种硬组织和软组织之间的界面和接触处相关的随机和非随机的处理。

发明内容
通常为金属的外科植入物可呈细长实心体的形式，该细长实心体包括具有远端和近端的纵轴。其不同部分可包括一个或多个适于促进组织结合到所述植入物中的不同表面结构。在诸如牙科植入物的经皮植入物的情况中，所述实心体的某些亚部分可设有容纳骨的结合的一个子部分，而另一亚部分可适于与周围的软组织结合。然而，在采用一个或多个这样的亚部分时，所有的亚部分都设有呈交替的脊和槽的形式的有序的微几何重复性图样，每个脊和槽都具有范围为约2.0微米至约25微米的确定的x、y和z轴尺寸宽度。在所述有序的重复性表面图样上叠加有多个具有坑状特性的微凹陷，从而在所述微槽内和在所述微槽附近提供粗糙性。这种微凹陷呈现的表面和深度尺寸的范围为0.1微米至约4微米，不超过所述微槽的宽度。然而，这些微凹陷的尺寸不足以破坏或干扰所述植入物表面的交替的脊和槽的主导图样。这些微凹陷为待结合的所述组织的细胞的“纵槽(pod)”或吸杯状元件提供附着表面。
从而本发明的一个目的在于提供一种用于外科植入物的改进的微几何表面，以改变并提高附在其上的细胞群落的骨结合。
另一目的在于提供一种有序和无序的微几何表面的组合，该组合对特定细胞或组织种类的生长有利。
本发明的又一目的在于提供一种用于微几何植入物的基材，以促进在活体内的细胞附着、对细胞生长和迁移的定向以及组织功能，这种基材具有用于阻止细胞沿第一或y轴生长并用于诱导细胞沿第二或x轴生长的尺寸和几何形状。
又一目的在于提供一种重复性和随机性微几何表面结构的组合，该组合适用于植入物以及各种其它的外科应用。
本发明的以上和其它目的和优点将通过以下阐明的


具体实施方式
和所附权利要求而变得明了。

图1为xy平面中的放大约750倍的平面示意图，其示出了根据本发明的具有平行的脊和槽的有序的微几何表面图样，每个脊和槽都具有近似相等的宽度。
图2为与图1类似的图，不过其中所述脊和槽的y轴连续宽度随着其表面图样的y轴方向改变。
图3为有序的微几何表面图样的示意性平面图，其限定由沿每个轴的交替的凹部和凸起形成的双轴、x-y阵列。
图4为与图3类似的平面图，不过示出了其所有凹部和凸起彼此共线的图样。
图5为与图4类似的平面图，其中所有脊在x-y截面中都是圆形的。
图6为与图3至图5类似的图，其中图样的槽限定xy网格作为其表面图样。
图7至图14为图1至图6的图样的yz平面剖面图，其示出了yz平面几何形状的变化，即，可适用于图1至图6所示的一个或多个xy平面图样的槽对脊的关系。多个微凹陷随机分布在槽的底部和侧壁、脊的上表面上。
图15至图19进一步表示xy平面的表面图样，所述表面图样分别包括辐射状、同心、圆形、辐射扇形、同心辐射状以及交叉极性辐射状(radiating with intersecting polar)图案。
图20为放大了约600倍的原位示意图，其示出了牙科植入物的颈部和近端部以及与其相关的组织向内生长。
图21和图22为可采用本发明的微几何表面图样的另一类植入物的放大视图。
图23为图20的类型的偏梯形螺纹式牙科植入物的电子显微照片，以大约3000倍的放大率示出了微几何结构。
图24为图20的植入物的颈部的放大约340倍的放大图。
图25为放大约3000倍的电子显微照片，其示出了采用与以上图3、图6和图19所示的图样相对应的不连续的脊和槽。
图26为以下图27和图28的图放大约3400倍的电子显微照片。
图27为图20和图24所示植入物的颈部上的表面图样A或B的放大约3000倍的电子显微照片，其中其槽是连续的。
图28为图20和图24所示植入物的颈部的放大1200倍的电子显微照片。
图29为放大约750倍的xy平面，示出了以上图1至图2的图样的另一实施方式。
具体实施例方式
骨组织为构成几乎所有成年脊椎动物骨骼结构的主要组成部分的刚性支承组织。其以致密或松质的形式存在，分别公知为密质骨和松质骨。典型的骨细胞大小为约10,000nm即10微米的量级。
骨组织由无机盐(65％至70％)和各种有机物质(30％至35％)的化学混合物构成，坚硬且具有弹性。其硬度来自无机成分，主要是磷酸钙和碳酸钙，还有少量的氟化物、硫酸盐和氯化物；其弹性来自诸如胶原、弹性细胞物质和脂肪的有机物质。称为哈佛管的内部管状结构包括神经组织和为骨提供有机养料的血管。围绕这些管的是有些多孔的组织，其由称为骨板的薄板构成，并通常含有填充有称为骨髓或髓样组织的结缔组织网的腔体。骨髓占人体重的2％至5％，并由两种组织构成。黄骨髓主要由脂肪构成，而红骨髓为产生红血球、白血球和血小板的组织。包围所有上述成分的骨外部包括所有骨组织中致密和最坚硬的部分，该部分又通常由称为骨膜的脉管纤维膜包覆。
表面的微织构化(micro-texturing)对骨和附着到骨上的软组织而言，已经发现可通过利用本发明的植入物来控制和影响外科植入物或牙科植入物周围的细胞群落生长的速度和方向以及不同细胞种类的生长。通常，这些植入物包括多个表面织构化的分离区，每个区都包括不同的提供给并接触特定细胞种类的重复性微几何样式或图样，用于促进该特定细胞种类的独特群落生长。这些不同的重复性微几何织构化表面用于
(a)提高骨生长的速度并对骨生长的方向进行定向，开抑制软组织的生长从而实现将植入物的表面牢固地固定到骨组织上；(b)提高软组织生长的速度并对软组织生长的方向进行定向，同时抑制骨组织的生长从而实现软组织与植入物表面的结合；和/或(c)生成抑制软组织、特别是软纤维组织生长的阻碍物，从而防止软组织生长在植入物的骨组织附着表面中迁移。
本发明的植入物可由合适并可接受的市售材料形成，所述材料例如铸造或锻造的钴和铬的合金、各种等级的商用钛、钛合金、不锈钢合金、例如聚乙醚酮(polyethyletherketone)的热塑性树脂、聚苯硫醚、陶瓷、氧化铝以及它们的组合。
已经示出，由12微米(μm)的槽和脊构成的表面可提高RBM(大鼠骨髓)至RTF(大鼠腱成纤维细胞)的细胞群落生长率，以促进骨细胞的生长超过纤维组织的生长。此外，该表面还使骨细胞的特定方向的迁移大致是在平坦表面上的细胞的速率的两倍。该表面可用于使骨生长比软组织生长快，并将骨生长导引至植入物表面的需要固定骨的区域中。
因为纤维组织和骨细胞通常“争夺”表面区域，从而在给定表面上骨对软组织群落区域增加的比值是表面选择中的一个重要参数。该比值代表这些表面上对细胞生长的相对刺激或抑制。理论上，该比值对有利于表面上一种或另一种细胞种类的生长是非常重要的，其中，较大的比值对骨细胞生长有利，而较小的比值有利于纤维组织的生长。在这些比值的基础上，2微米的凹口或槽使骨/软组织生长降低32.8％，从而对软细胞组织的生长相当有利。该表面可用于促进纤维组织细胞的生长；它也可用于对这些细胞的生长进行显著的定向。4微米凹口或槽的表面提供类似的比值，但它是在整体生长率较低的基础上。因此，如果需要纤维细胞不定向生长，则平坦的对照表面对RTF组织细胞具有内在的优点，其骨对于软组织细胞生长的比值约为0.6。已在体内观察到这一效应，其中显示与相同成分的织构化表面相比，光滑表面对形成厚纤维组织囊形成有利，所述织构化表面显出较少的纤维囊形成以及更大范围的骨结合。
骨对软组织细胞生长的比值最大的表面为具有12微米槽的表面。
参照图1，其中讨论的有序的微几何重复性图样可呈多个交替的槽10和脊12的形式，其中每个相应的脊和槽的宽度为大约2微米至大约25微米，而且深度范围为大约2微米至大约25微米。在图1的实施方式中，宽度大致相等的相互平行的线性脊和槽的无限重复图样限定本发明所设想的植入物或基材的微织构化表面。在优选实施方式中，所述槽具有大致相同的宽度和大致相同的深度。
图2的实施方式中示出这样一种表面，其中，交替的脊14和槽16的宽度关于相对所述脊和槽的轴横向的轴沿y轴增加。因此，针对存在组织种类转变或组织密度梯度的一些种类的组织而言，可采用图2类型的那种织构化表面。
在图3中示出这样一种表面图样，其中脊18呈凸起的形式而槽20呈凹部的形式，从而限定棋盘构形。其中，这些脊和槽同时相对于给定表面的x轴和y轴交替。
图4的实施方式与图3的实施方式的不同之处在于图4中脊22形成双轴线性图样。类似地，图4的实施方式的槽24限定x-y阵列，其由可呈现为多种几何形状的凹部形成。
图5中示出本发明这样一个实施方式，其中圆形凹部26限定槽或凹部，而它们之间的区域(即间隙28)限定脊或凸起。其中，可意识到这里使用的术语“交替的脊和槽”包括多种微织构的几何图样，其中该图样的脊和槽在彼此交替的同时其自身可包括多种几何形状(包括通道、矩形、平行四边形、正方形、圆形和椭圆形)中的任何一个。
参照图6，示出了网格状的布置，其中，槽30限定刻蚀到表面32中的xy阵列，从而表面32在相对于蚀刻槽30观察时包括脊。
从图1至图6的实施方式可理解，给定槽的宽度(或直径)无需与其相应的脊的宽度(或直径)对应，只要该宽度落在上述约2微米至25微米的范围，而深度在约2微米至约25微米的范围即可。从而，从上述大量实验可确定，本发明范围内的微几何重复性图样可限定对上颌面骨或组织的细胞群落生长的速度、定向和方向性进行优先促进的引导，而不要求脊的宽度等于槽的宽度，这是因为基本上正是微织构化表面的槽限定对细胞群落生长进行优先促进的引导。在大多数应用中，期望的是使给定表面上的槽密度最大，从而实现期望的细胞生长效应；然而，不同的临床环境将规定采用不同的表面图样和槽的分布密度。
应理解，为清楚起见，图1至图6没有示出以下将描述的在上述槽结构上采用随机微凹陷的情形。
参照图7至图14的视图，示出了可与参照图1至图6所述的微几何织构化构形一起采用的示意性截面。换言之，图7至图14的视图表示可限定在表面图样的yz平面内的几何形状的范围。如图所示，每个槽4具有底部2和两个相对的侧壁3。图7至图9表示脊宽度a、脊和槽高度b、以及槽宽度c的变化。通常，脊高度将等于槽深度。参数d为脊和槽宽度的和。图7最右边的脊表面表示y轴表面不必是线性平坦的，即其可以是不规则的微凹陷或坑状。
在图7至图14中，在脊6的上表面和槽4的底部2上示出了尺寸范围分别在0.1微米至约4微米的微凹陷33和35。其中，微凹陷的尺寸指微凹陷的宽度和深度。此外，在图7至图9以及图12至图14中的侧壁的表面上示出了微凹陷37。可将相似的微凹陷、坑或孔37a设置在图10及图11所示的几何形状的倾斜侧壁上。微凹陷有助于组织细胞壁的“纵槽”附在植入物表面上。
在图15至图19的几何形状中，以点线和虚线示出了xy平面的微凹陷33/35。因此，应理解到，微凹陷通常以大致随机的方式提供在图1至图19示出的有序的微槽和脊的底层xy平面上。
参照图20，示出了这样一种示例，其中，可在牙科应用中进行医用植入物的上述表面处理。更具体地，在图20中示出了偏梯形螺纹植入物100的具有近端颈部46和远端颈部48的颈部120的放大图、以及关于颌骨54、骨皮质15和软组织38的放大图。图20还示出了在所述远端颈部48与骨54之间的骨结合的区域34以及在植入物100的远端区域102与骨54之间的骨结合区域36。在区域42中，示出了骨皮质15与远端颈部48之间的结合区域。区域52代表在近端颈部46与软组织(龈)38之间的结合区域。通过采用用于骨结合的较小尺寸的微几何图样B、采用用于软组织密封的较大尺寸的图样A(这与所述交替的脊12/14和槽10/16(见图1、图2以及图7至图14)的宽度和深度一样为上述约2.0微米至约25微米的范围，其上叠加有随机的微凹陷，从而限定发明的植入物表面的有序的微几何表面图样与随机的微几何表面图样的组合)，从而能实现这些向内生长的区域。
因此应理解到，颌骨54、骨皮质15以及组织38和颈部46和48之间的向内生长或生物亲和性的区域34、36、42和52，以及远端区域102在组织38与骨皮质15之间的界面40的区域42附近(即在植入物颈部进入所述骨中的位置)实现了组织的有利密封。这样，根据本发明，双亲和性的植入物颈部有效地促进了将骨42密封至植入物颈部120。通过这样的密封消除了植入物牙科学的现有技术中长期存在的所谓杯吸效应。
还应理解，上述表面图样(其包括尺寸范围为约2.0微米至约25微米的有序的微几何的交替的脊和槽的组合，并覆盖有尺寸范围为约0.1微米至约4微米的基本随机的微凹陷)可通过包括但不限于以下方法的许多方法中的任何一种方法来实现，即激光切割、酸蚀刻、光刻术、磨蚀/粗糙化、等离子喷涂，及其组合。
对于颈部的近端部分对远端部分的轴向长度的比值，已经发现这些轴向长度不必相等，从而近端部分对远端部分的轴向长度的范围可落在约1∶4至约4∶1之间，这使得总的轴向长度在约1毫米至约3毫米之间。
参考图21至图22，示出了如在我们的美国专利6,406,296(这里将其全文引入作为参考)中教导的具有增大(enlarged)的近端部分204的植入物200，可在该增大的近端部分204上形成上述表面图样。这样的植入物还包括颈部202、夹紧头208、位于其中的接合装置210以及其渐缩的远端部分206。为了按照如参照图20所述的方式促进组织的向内生长和密封，可在颈部202上形成一种表面图样C，而在所述的增大的近端部分204上形成另一种表面图样D。从而，增大的近端部分204以及微几何表面图样C和D相互作用以增强植入物处的骨结合。
图23为图24类型的偏梯形螺纹牙科植入物的放大图，该植入物设有有序的微几何表面。图25为图20的颈部放大340倍的放大图，不过示出了先前如图6所示的不连续的槽30和脊32的图样。图26为电子显微照片，其包括图25的颈部的进一步放大图。图27为对图24的植入物的螺纹结构上的表面图样的电子显微照片，其中其槽是连续的，与图25的不连续脊和槽部分相反。图28为图24示出的植入物的颈部的1200倍的电子显微照片放大图。在所有图中，其中的小纵向槽表明激光相关的熔合，而不是植入物的一部分微几何表面。
在所有显微图照片中还示出了以上参照图7至图19所示的微凹陷(纵槽)33、35和37。
图29示出了本发明的另一实施方式，其中槽110和脊112限定平行但弯曲的线。
尽管已经示出并描述了本发明的优选实施方式，但应理解可以通过与这里具体示出和描述的不同的方式实现本发明，而且在所述实施方式中，在不偏离所附权利要求阐明的本发明的基本构思或原理的情况下可作出部件的形式和布置上的某些改变。
权利要求
1.一种医用植入物，该医用植入物包括(a)呈多个交替的脊和槽的形式的有序的微几何表面图样；每个所述交替的脊和槽都具有范围为从约2微米至约25微米的宽度以及范围为从约2微米至约25微米的深度；而且每个所述槽都具有底部和两个相对的侧壁；以及(b)呈多个微凹陷形式的微几何随机表面图样，所述微凹陷的尺寸范围为约0.1微米至约4微米，所述微几何随机表面图样叠加在所述有序的微几何表面图样上。
2.根据权利要求1所述的医用植入物，其中，所述多个微凹陷的所述尺寸不超过所述槽的所述宽度和所述槽的所述深度。
3.根据权利要求2所述的医用植入物，其中，所述多个微凹陷随机地分布在所述槽的所述底部和所述侧壁上。
4.根据权利要求2所述的医用植入物，其中，所述多个微凹陷随机地分布在所述脊的上表面上。
5.根据权利要求2所述的医用植入物，其中，所述槽具有范围为从约2微米至约25微米的大致相同的宽度，并具有范围为从约2微米至约25微米的大致相同的深度。
全文摘要
本发明提供一种用于促进骨结合的外科植入物。具体地，本发明提供一种用于外科插入到患者组织中的医用植入物(100)，该医用植入物(100)包括呈多个交替的脊(12)和槽(10)形式的有序的微几何表面图样，每个脊和槽都具有范围为约2微米至25微米的确定宽度以及范围为约2微米至约25微米的确定深度，每个槽都具有底部和两个相对的侧壁；以及呈多个微凹陷(33、35)形式的微几何随机表面图样，所述微凹陷的尺寸范围为约0.1微米至约4微米，所述微几何随机表面图样叠加在有序的微几何表面图样上。
文档编号A61B17/68GK1942148SQ200580011647
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月7日 优先权日2004年7月29日
发明者哈罗德·亚历山大, 布鲁斯·霍兰德, 约翰·里奇 申请人:拜罗克国际公司