包括凝胶材料芯和纺织套的假体及其制造方法和用途的制作方法

专利名称：包括凝胶材料芯和纺织套的假体及其制造方法和用途的制作方法
包括凝胶材料芯和纺织套的假体及其制造方法和用途本发明涉及一种假体，其包括凝胶材料芯和包围所述芯的纤维套。另外，本发明涉 及一种用于制造该假体的方法。本发明还涉及假体的用途。天然的椎间盘(intervertebral disc)(椎间盘(discus intervertebralis)或 盘(discus))构成背部的运动节的一部分。这样的运动节由两个椎骨、椎间盘(连接椎骨 的软骨盘)、两个小的臀关节(小面关节)、韧带和肌肉组成。所有这些组成部分共同决定 背部可以运动的程度。因此，椎间盘构成整个运动器官的一部分，其中全部组成部分一起工 作。这种组成部分的整体(unit)只有在全部的组成部分保持完整或者在损害的情形中被 修复的情况下执行其功能。如果例如椎间盘由于受到损害而不能充分地执行其功能，则这 可能导致小关节超负荷，这继而可能导致对所述关节的损害。因此，受损或有缺陷的椎间盘 的及时替换，优选被具有可比较特性的人造椎间盘替换，具有很大的重要性。天然的椎间盘由凝胶状芯(髓核)构成，该凝胶状芯被封闭在纤维环(armulus fibrosus) (White 等，脊柱的临床生物力学(Clinical biomechanics ofthe spine), J. B. Lippencott Company, Philadelphia, 1978)中。核和环都包括硬而相互交联的胶原 纤维，它们与蛋白聚糖链缠绕在一起。所述蛋白聚糖链含有固定的、带强的负电荷的侧链 (氨基葡聚糖)，其与来自周围环境的离子相互作用，结果水被椎间盘吸引。由于高浓度的 蛋白聚糖链，核含有85-95%的水，而包括较大量的胶原纤维和较少的蛋白聚糖链的环含有 70-85%的水。作为这种特定组成的结果，盘允许椎骨彼此相对移动，另外，具有减震功能。 这两个相邻的椎骨包括由透明(“玻璃质的(vitreous)“)软骨组成的终板(end plate), 其起着软椎间盘和硬椎骨之间的过渡区域的作用。在与椎间盘退化相关的背部疾病如严重的突出髓核(hernia nucleuspulposus) 的情况下，外科手术可能是必需的。在某些情况下，椎间盘的一部分-通常为环-可以被挽 救，但是在严重的情况下，椎间盘必须全部被替换。为了恢复脊椎柱的功能，必须植入假体， 所述假体承担天然的椎间盘的机械功能，即在机械刚度和溶胀(swelling)行为两方面均 承担。用于椎间盘的假体必须满足许多要求(Eijkelkamp等，The InternationalJournal of Artificial Organs, 2001，21 (5)，311-321)，例如尤其是，目的 在于相对于相邻的椎骨的最佳连接和最佳压力分布的恰当几何结构。其它要求包括足够程 度的刚性，以获得与天然的椎间盘相当的良好减震性，以及溶胀行为。US 5，824，093公开了核假体(10)，其包括凝胶材料芯(12)和纺织的纤维套(14)。WO 2005/013863(本发明人)公开了一种假体，其包括凝胶材料芯(2)和包围所述 芯(3)的缠绕纤维套。US 2002/026244公开了一种核假体，其包括水凝胶芯以及包围所述芯的纺织纤维套。EP 0353936公开了一种假体，其包括凝胶材料芯以及纺织材料套。US 5，192，326涉及一种假体，其包括被纺织材料套封装的凝胶材料芯。国际申请WO 04/049980涉及一种人造椎间盘，其包括一种挠性材料(硅氧烷橡胶)芯，其具有拉平体的形状，带有上下侧，所述上下侧通过侧表面连接，在所述芯周围施 用了抗牵引纤维的基本上径向定向的缠绕体(winding)。这样的人造椎间盘的缺陷在于，如此施用的抗牵引纤维的缠绕体造成了纤维结构 的不足的形状稳定性，并因此只允许溶胀压力在芯中的有限积累，而不丧失其最初的形状， 这不利地影响了人造椎间盘的耐久性和强度。换言之，在施加相当大的负荷时，芯材料将在 纤维的缠绕体之间凸出。过去和/或现在可商购的用于替换椎间盘的假体的实例包括基于挠性芯和刚 性终板的假体，即，橡胶芯被钛终板覆盖(Acroflex )。打算用于仅替换椎间盘的核的假 体(所述假体基于水凝胶材料)尤其从美国专利5，674，295 ；6, 402，784和5，047，055是 已知的，其中天然的环被水凝胶材料填充，所述水凝胶材料具有溶胀性质并且可以被或 可以不被膜包围。其它现有技术的假体是所谓的铰链式(hinge)假体，如ftODiscII ， Maverick *Charity 。这样的铰链式假体的缺陷在于，在铰接部件上发生磨损。包括挠 性芯的假体不是通过铰链移动，而是通过不导致磨损的挠性芯的变形移动。本发明的一个目的是提供一种用于椎间盘的假体，所述假体模拟天然的椎间盘的 特性。将在下面更详细说明的特性的实例包括假体的溶胀能力、渗透偏压(osmotic bias)、 蠕变和松弛、非线性粘弹性材料行为、强度、刚性、韧性和抗疲劳性。本发明的另一个目的是提供一种假体，所述假体基于结合低剪切刚性和高度的韧 性、轴向刚性和耐久性的材料。本发明的另一个目的是提供一种假体，所述假体可以以简单的方式被植入人体或 动物体内，而不会在外科手术植入所述假体时，在假体位置附近严重拉伸任何韧带。本发明的另一个目的是提供一种假体，所述假体表现出高度的耐久性、良好的减 震性和良好的疲劳性能。除此以外，本发明的一个目的是提供一种用于例如体内的其它关节和关节部分如 半月板的假体。上述目的的一个或多个是通过如在前言中提及的假体实现的，该假体的特征在 于，纤维套由纺织材料组成。下面将通过参考下列附图更详细地说明本发明

图1显示了样品假体的静态负荷的力-厚度图。图2显示了在疲劳测试中样品假体的厚度的变化。图3显示了在使用不同的频率时对本发明假体的负荷。图4显示了根据本发明的假体在1300N的负荷下的蠕变行为。在本发明的说明书中，术语"纺织材料"应理解为是指通过使用诸如纺织，针织， 线轴针织(spool-knit)，编织打结或梭结花边等的技术得到的材料。这与如上所述的现有 技术所谓的缠绕套截然相反。已经被本发明人发现的本发明假体的优点在于，芯的凝胶材料由于纺织套的存在 而被恰当地固定在芯内的适当位置，因此几乎没有任何凝胶材料将穿过套的各个纤维凸 出，这与在使用缠绕套时发生的情形截然相反。在具有由被薄膜或缠绕套包围的凝胶材料组成的芯的现有技术假体的情况下，凝 胶材料可能在正常使用过程中产生的负荷下穿过膜或缠绕套凸出或突出。当使用这样的构造时，甚至存在这样的可能性当假体经受例如凝胶材料的溶胀压力或在使用中的负荷 时，缠绕体将彼此相对和相互跨越移动，作为其结果，如上所述，在缠绕体之间形成开口，通 过所述开口，凝胶材料凸出。这是不利的，因为它不利地影响构造的结构完整性并且降低寿 命，同时可能释放凝胶材料，其随后可以找到进入体内的路径，这可能导致对患者不宜的负 作用。本发明假体起着如此良好的作用的一种可能的解释(本发明人不希望受到该解 释的限制)在于，由于纺织材料的使用，可以为丝或纱的形式的纤维排列在彼此相对较固 定的位置，因此彼此相对的主要移动是不可能的。另一方面，在缠绕套的情况下，纤维彼此 相对的主要移动是可能的，因此大的开口可能在纤维之间形成，通过所述开口，芯的凝胶材 料可能凸出。当使用纺织材料时，各个纤维可以在材料中相对移动的程度受到更大的限制， 并因此没有大的开口形成，并且更少的凝胶材料，乃至实际上根本没有凝胶材料凸出。本发明假体的另一个优点在于，纺织套表现出良好的耐久性，这经过本发明人的 实验验证，并且将在下面的实施例中进行说明。本发明的另一个优点在于，实现在放置假体附近处的骨骼一方和假体另一方之间 的结合变得更容易。词"骨骼"是指例如，椎骨的骨骼材料。在例如根据现有技术的缠绕套上使用纺织套的其它优点在于，具有开放的网眼的 纺织套的结构使得骨骼向内生长到纺织套中变得可能，这导致在将假体植入体内之后与相 邻的骨骼材料的优异的结合。当使用缠绕套时，这样的向内生长不太容易成为可能。植入的包括缠绕套的现有技术假体，与包括纺织套的本发明假体相比，具有更平 滑的表面，因为后者包括纤维、纱和/或丝的"接点"或交叉点。因为本发明假体的表面 较不平滑，因此由于在假体的套和相邻的骨骼材料之间的摩擦增加而在体内发生更少的移 动。例如，如WO 04/049980中所述，还可以通过选择不同的芯材料如硅氧烷橡胶来防 止芯材料的凸出。这样的构造使得实际上在不拉伸椎骨韧带的情况下不能植入用于椎间盘 的假体，而拉伸椎骨韧带是不宜的。如已经在前面描述的，天然的椎间盘的许多特性对于其适当地起作用是必要的。 所述特性将在下面进行简要的说明。假体的溶胀能力是假体特别是凝胶材料芯由于吸收水而溶胀的能力。溶胀能力可 以根据需要通过使芯中的凝胶材料适应而适应。如果使用水凝胶，则可以使组合物适应，使 得水凝胶包含更多或更少的离子化合物，所述离子化合物具有较高或较低的吸水能力。本 发明假体的良好的溶胀能力使得可以在体内的所需位置在简化条件下通过外科手术植入 假体，因此存在于关节周围的韧带没有被过度拉伸，并且可以防止损害。此外，以这种方式， 可以移除假体。可以将试剂注入到被植入的假体中，例如通过注射器注入，从而使假体在体 内收缩/变得更小，之后外科手术移除将不太费力。根据本发明，如果(水)凝胶可以溶胀得比套所允许的尺寸更大，则这是特别优选 的。假体的刚性取决于假体内的溶胀压力，其通过在(水)凝胶的溶胀和纺织套的刚性之 间的平衡而获得，作为其结果，纤维被加偏压，并且溶胀量受到限制。作为在凝胶中获得的 内部压力的结果，所述凝胶不太容易表现出裂纹(tears)。换言之，在没有套的情况下，与有套的情况相比，(水)凝胶芯可以溶胀更大；所述套限制了溶胀量。获得假体的渗透偏压的原因在于，凝胶材料的芯不能溶胀成大于套所允许的溶 胀，这导致在芯内和纺织套间的偏压。蠕变是在恒定的负荷下的时间依赖性变形，作为其结果，在材料中的应力水平降 低。当椎间盘以及本发明假体承受负荷时，水将流出，作为其结果，椎间盘将变得更薄。当 负荷降低时，作为水的流入的结果，厚度将再次增加。应力松弛(也称为松弛)是在经受连续的机械负荷时材料中的应力水平的降低。 松弛的一个实例是使用偏压的纤维，其被拉伸，并且因此经受内部应力。在某个时间之后， 将发现应力降低，而应力量保持不变。这与材料的粘弹行为相关。水夜以继日有节奏地流入和流出，这种节奏是在白天的更高负荷和在晚上的更低 负荷的结果，导致应力同时分布在假体，小关节和韧带上，因此可以防止应力集中。弹性材料在承受拉力而受到负荷时直接表现出应力，并且当负荷释放时返回到其 初始状态。粘弹性是在变形时同时表现出粘性和弹性行为的材料的性质。粘弹性材料表现 出时间依赖性的应力。作为本发明假体的粘性行为，施加的负荷可以更均勻地分布在假体 上。非线性粘弹性行为是指在高应力水平的情况下，与在低应力水平的情况相比，每 单位伸长的应力程度相对更强地增大。因此，应力-拉伸相互关系是非线性的。强度提供关于假体在经受大的力时保持完整的能力的信息，并且韧性提供关于假 体在经受主要的变形时保持完整的能力的信息。抗疲劳性是对疲劳的耐受性，疲劳是材料在变化的持久的负荷下倒塌的现象。即 使在所有位置处的应力都远低于最大流动或断裂应力，变化的负荷也可能导致断裂。重要 的是，本发明假体在被植入之后长久地执行其功能。用于关节部分如椎间盘的假体将长期 经受变化的负荷，并且因此很重要的是，假体表现出对疲劳良好的耐受性。抗疲劳性表示假 体耐受大量的负荷的程度，从而表示假体的使用寿命将是多少。刚性表示材料可以表现出变形的程度。材料越刚硬，它所表现的变形越小。本发 明假体的刚性是通过特别是芯(如在前面说明的)的溶胀能力一方和套的刚性这另一方之 间的平衡获得的。如果使用水凝胶材料作为芯材料，则芯在经受负荷时本身可以适应。归 根结底，当施加负荷时，水将从芯移动至周围环境中，从而导致刚性增加。在松弛(没有施 加负荷)时，作为渗透效应的结果，芯将从周围环境再次吸水。刚性和所引起的渗透应力从 而防止运动节中的小关节受到过负荷，原因在于所述负荷主要由假体承担。刚性的程度必须被选择，使得在关节的可变形性一方和所述关节的稳定性这另一 方之间存在折衷；假体的植入必须不干扰所述可变形性和稳定性。在天然的椎间盘中，在假体的轴向刚度和剪切刚度之间的比率为约1 8，而在包 括挠性塑料芯的假体中，该比率为约1 3。轴向刚度涉及在背部的轴上的刚性。剪切刚度 涉及由椎骨可以侧向移动的程度引起的刚性。在两个椎骨移动的过程中，旋转轴或旋转点的位置变化，这与具有固定的旋转点 的铰链式椎骨不同。本发明假体可以移动的程度等于天然的椎间盘可以移动的程度。如果根据本发明的凝胶材料是水凝胶，S卩，它部分地或全部由水凝胶组成，则它是 优选的。使用水凝胶的优点是其优异的溶胀能力。
特别优选的是，在本发明假体中使用离子化的水凝胶，即，含有0. 02-2%离子化基 团(摩尔当量电荷/升的量)，优选0. 05-1 %，更优选0. 1-0. 5%,特别是0. 2-0. 4%的水凝 胶。这样的水凝胶的一个实例是HEMA(甲基丙烯酸羟乙酯)和NaMA(甲基丙烯酸钠)的组 合，其具有优选0. 1至20重量％ NaMA,特别是0. 5至10重量％的NaMa，更特别是1至6重 量％的NaMA。NaMa含有带负电荷的基团，其作用相当于天然的椎间盘中的蛋白聚糖链的作 用，即，吸引水。还可以使用其它聚甲基丙烯酸盐。水凝胶材料还可以包含另外的组分，如 水，交联剂，聚合引发剂和其它试剂。更特别是，用作芯材料的水凝胶被纤维增强，以获得本发明假体的更好的耐久性、 耐磨损性和负荷性能。纤维增强的水凝胶材料从〃用于植入物的复合水凝胶(Compositehydrogels for implants) “ :L. Ambrosio c.s.Proceedings of the institution ofmechanical engineers，part H，Journal of Engineering in Medicine(1998)，212 (2)，93-9，Ref. 24 是已知的。其中使用聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维束，所述纤维是非吸收性的；这些纤维被结 合在聚合的水凝胶中。对于许多用途，随其获得的材料相对于它意图代替的软生物组织的 特征刚性是刚硬的。Young 等(Biomaterials 1998，19，175-1752)描述了基于用氨纶纤维(具有低的 拉伸强度)增强的聚甲基丙烯酸2-羟乙酯(pHEMA)的材料。在水凝胶中设置纤维结构。纤 维增强的水凝胶含有约1%的纤维并且可以用作人造皮肤。根据本发明的假体优选在芯材料中包含纤维增强的水凝胶，所述水凝胶是用拉伸 强度为至多IGPa的纤维增强的。这种具有低拉伸强度(也称为弹性模量)的纤维的实例 是拉伸能力超过500%的Lycra 或Spandex 。这种具有低拉伸强度的纤维表现出水凝胶 材料的良好吸收性并且因此形成均勻的块(mass)。另外，这些纤维表现出在纤维和水凝胶 之间的良好的结合，同时降低从纺织套爆出的水凝胶的风险。特别是，基于水凝胶的重量，在纤维增强的水凝胶中的纤维的量为至少5%，以获 得在假体的足够的强度和耐久性一方与假体的挠性和溶胀能力这另一方之间的最佳平衡。 在一个实施方案中，将纤维以优选长度不超过Icm的细切形式加入到水凝胶材料中。还可以将泡沫体与水凝胶混合以使水凝胶变得更牢固，相当于纤维增强的水凝 胶。这样的泡沫体优选具有对应氨纶性质的性质。所使用的泡沫优选具有下列性质 20-80kg/m3的密度，大于IOOkPa的拉伸强度，大于100%的断裂伸长率，1. 0-10. OKpa的耐 压缩性。该泡沫体必须具有医疗用质量，优选为开孔型泡沫体，并且是网状的，即，已经除去 了各个孔之间的孔壁。还可以在例如模具中将泡沫体预成形为所需的形状，之后在模具中形成水凝胶 (参见实施例3)。这种泡沫体和纤维表现出水凝胶材料的良好吸收性，并因此它们形成均勻的块。 泡沫体和纤维可以被加入到形成水凝胶的一种或多种单体中。因此，所述泡沫体和/或纤 维存在于聚合过程中，作为其结果，所述泡沫体和/或纤维在水凝胶材料中成为整体。这使 得水凝胶变得更韧，并且在水凝胶材料中不太容易形成裂纹。此外，这种泡沫体和/或纤维 表现出与水凝胶的良好粘附性，和降低的水凝胶从纺织套爆出或凸出的风险。与细切纤维相比，泡沫体提供更均勻的材料分布，因此在水凝胶中不太容易形成较弱的点，使得形成裂纹的程度低于当使用纤维时的程度。本发明假体特别是包括基本上由纤维制成的套，所述纤维是抗牵引的。在本说明 书中，如在本说明书中使用的术语"抗牵引纤维"应理解为是指表现出断裂伸长率为至多 15%，优选至多5%的纤维。在套中使用这样的抗牵引纤维的优点在于，这导致假体具有关于抗疲劳性、耐久 性和承载性的改善的性质。抗牵引纤维的拉伸强度优选至少lGPa，更优选至少3GPa，还更优选至少5GPa，特 别是至少7GPa，更特别是至少lOGPa。因此，获得了关于抗疲劳性和耐久性的最佳结果。用于套的纤维优选具有至少50GPa，优选至少75GPa的弹性模量。适合的纤维的 实例包括例如Dyneema Purity ，其拉伸强度为3GPa，弹性模量为98GPa并且断裂伸长率为 3. 4%。本发明假体特别是包括主要由纤维制成的套，所述纤维是耐磨损的。磨损是由在 牵拉方向的横向上的剪切力引起的磨耗。耐磨损材料不容易在与其它表面接触和/或摩擦 时磨耗，并且保持其完整性。因此，所述纤维长期保持完整，即使它们会沿着其它表面摩擦， 因而假体破损的风险最小化。纤维具有至少IO4个循环，优选至少IO5个循环的耐受性。如果用于本发明假体的纺织套是针织或打结的特别是针织的，则它是特别优选 的。套的尺寸适合于所讨论的用途。在用于椎间盘的假体的情况下，套的尺寸相当于 被代替的天然的椎间盘的尺寸。其优点在于，特别是在针织的材料的情况下，实现了具有适合的粗糙度的结构体， 因此将几乎没有迁移，同时将获得最佳的骨骼附着。优选地，在纺织套中使用聚乙烯纤维，所述纺织套特别是基本上完全由这样的 聚乙烯纤维组成。抗牵引和抗磨损的适合的聚乙烯纤维的实例包括例如来自DSM的 Dyneema(牌子)和在WO 04/049980中所述的纤维。应指出，如本文中使用的术语〃纤维〃 也应理解为是指由单丝或复丝组成的丝和纱。纤维的厚度不受任何限制的约束，并且可以 根据用途由本领域技术人员决定。为了进一步防止凝胶材料凸出，优选在纺织套下面(即在纺织套和芯之间)设置 另外的保护层，例如以膜或薄膜的形式设置。这样的保护层完全或部分地包封芯。在人造 椎间盘的情况下，芯具有拉平体的形状，所述拉平体具有上侧和下侧，所述上侧和下侧通过 侧向表面连接。如果保护层仅仅部分地包封芯，则例如仅仅包封上侧和下侧或仅仅包封侧 向表面。通过保护层包封的程度将根据多个因素例如纺织套的网眼尺寸和水凝胶材料的种 类来选择。膜可以通过例如围绕芯折叠膜来使用。膜可以围绕芯被卷绕几次，使得芯被例如 两个、四个乃至更多个膜层包围。可以用于本发明的膜的一个实例是膜Gore Preclude 。它是由膨胀的聚四氟乙 烯组成的围心膜(pericardial membrane)，并且具有0. Imm的厚度和小于1 μ m的孔径。作为使用这样的另外的保护层的结果，上述凸出将进一步降低，因为可以存在于 纺织套中的小开口被保护层"封闭"。特别是，低程度的凸出是通过使用透析膜或其它膜或孔径为约lnm-ΙΟΟμπι的薄膜作为保护层获得的。孔径是根据例如纺织套网眼尺寸和水凝胶材料的种类适当地选择 的。如果在包括缠绕套的假体中使用这样的保护层，则在使用过程中的负荷下可能发 生以下情形纤维缠绕体移开，使得形成开口。结果，将在保护层上施加压力，这可能导致保 护层和凝胶材料凸出。因为保护层太弱而不能抵抗这样的压力，因此保护层可能在压力下 撕裂，这是不宜的。因此，在使用凝胶材料作为芯部分的情况下，将保护层如膜与在所述层 周围缠绕的套一起使用不足以能够抵抗所需的负荷。根据本发明的纺织套优选具有至多Imm2的网眼尺寸。术语〃网眼尺寸〃应理解 为是指纺织材料的各个纱(纤维)之间的开口的尺寸。如果使用超过该范围的网眼尺寸， 则凝胶材料凸出的风险增加。但是，可以使用更大的网眼尺寸，其可以与额外的保护层相结 合。但是，明显的是，网眼尺寸取决于线圈密度(stich density)和所使用的纤维的厚度。在一个优选的实施方案中，针织的套的线圈密度为至少15个线圈/英寸(6个线 圈/cm)，优选至少20个线圈/英寸(8个线圈/cm)，特别是至少25个线圈/英寸(10个线 圈/cm)，乃至50个线圈/英寸(20个线圈/cm)。如果使用更小的线圈密度，则凝胶材料的 凸出风险将更大。但是可以使用更小的线圈密度，其可以与另外的保护层相结合。可以在 套的纵向和横向上使用不同的线圈密度。纺织套可以由一个或多个纺织材料层组成，所述层同时或单独地被施用在芯周 围，如果套的层单独施用，则所述层可以单独被封闭。如果施用多个层，则很重要的是，各个 层的尺寸恰当地彼此适合，即，所述层彼此紧密地邻接。归根结底，如果一个层显著更小，则 该层将承受最大的负荷，这由于总强度而不是适宜的。优选地，纺织套由至少两个纺织层组成。除此以外，还可以存在其它层。保暖层 (warm layer)的例如纤维种类、纤维厚度、涂层、网眼尺寸等可以彼此相同或不同。因为假 体包括至少两层，因此与单层套相比，它的安全程度得到提高，因为在一个层受到损害的情 况下，至少第二层将保持防止水凝胶凸出。而且，设置有由至少两个纺织层组成的套的假体 能够承受更大的负荷。因为根据本发明的假体是安全的，因此它用作用于整个椎间盘(核 和环)的假体是适合的。在本发明的一个优选的实施方案中，套的至少两个纺织层是连接的。通过连接纺 织层，施加在套上的力将分布在两个纺织层上，因此假体层将按比例地承受负荷。结果，应 力均勻地分布在套的各个纺织层上，这是有利的。各个纺织层可以通过使用不同纺织材料作为层或者通过将整体制备的纺织材料 例如长管(参见以下)围绕芯缠绕几次而形成，作为其结果，形成了几个层。套(其一个或多层)可以以被设置在芯周围的圆柱形纺织材料的形式提供，之后， 必须通过例如缝纫封闭圆柱形纺织材料的两个开口端。还可以将管状的纺织材料施用在芯周围，所述材料优选是以层的形式设置的，之 后通过扭动(turning)将管状材料的开口侧封闭，由此将管状材料在相反方向上拉回到芯 上，因此施用了套的第二层-并且可以通过重复该程序，施用套的一个或多个其它层，所述 第二层直接连接至第一层，因此，作为其结果，应力更均勻地分布在套的各个层上。在本发明的一个优选的实施方案中，一个或多个层是无缝的。更特别是，存在的全 部层都是无缝的。缝的存在局部地弱化了纺织层，这是相当不太适宜的。但是，如果存在多个层，其中缝位于不同的位置，则存在的可能性是，缝的存在将不弱化假体。没有缝导致更 牢固的层，因此导致更牢固的套。结果，层在经受负荷时不太容易受损。优选地，在芯和套之间设置挠性较低的部分。在本发明的另一个优选的实施方案中，芯具有拉平体的形状，所述拉平体具有下 侧和上侧，所述下侧和上侧通过侧向表面连接。因此这是盘或拉平球的形状。如果使用假体 作为人造椎间盘，这样的形状特别是最佳的，原因在于，天然的椎间盘的形状因此被模拟。 芯的形状可以根据所讨论的用途而来调节。在其中本发明的芯具有拉平球的形状的一个实施方案中，可能发生芯的各向异性 溶胀，尽管本发明人不希望受到该理论的约束。套的尺寸的增加几乎是不可能的，但是其 形状可以变得更圆。与扁平形状相比，球具有更高的体积/面积比率，因此可能的是，本发 明假体将表现出相对更大的轴向溶胀。这在防止假体在椎骨的边缘凸出方面也可以是有利 的。在另一个实施方案中，本发明的芯具有天然的椎间盘的形状，S卩，一侧比另一侧更 厚(所谓的楔形形状)。而且，例如当用作用于腰部椎间盘的假体时，本发明假体，以及因此 芯和挠性可以更低的部分可以是肾形的。芯的形状可以遵循椎骨的形状。如果在芯一侧或两侧存在挠性较低的部分，则它是优选的。其优点在于，可以通过 将所述的挠性较低的部分假体固定在体内，例如固定到一个或两个椎骨上，固定在放置假 体作为人造椎间盘的地方之间。为了确保椎骨良好地附着至用作人造椎间盘的根据本发明的假体的一侧或两侧， 如果将挠性较低的部分设置在芯的下侧和/或上侧中的至少一侧，则它是优选的。更特别是，挠性较低的部分起着所谓的终板的作用。这样的终板用于将假体连接 至椎骨面向椎间盘的表面，以防止假体在受到负荷时在体内位移。在一个实施方案中，这样 的终板是薄的挠性板，但是，其挠性低于芯。在植入后，将薄挠性板在已溶胀或溶胀的芯的压力下按压到相邻的骨骼上。挠性 板的挠性足以能够在实际上在所述压力下遵循相邻的骨骼的轮廓。因为挠性板可以呈现骨 骼的轮廓，因此假体被适当地夹在相邻的骨骼部分之间。结果，假体相对于相邻椎骨移动的 风险小(如果不是完全不存在的话)，这是必需的，以实现适当起作用的假体。而且，所述夹 持固定是有利的，因为良好的骨骼-假体接触导致在经受负荷时力在骨骼上的更成比例的 分布。这降低了对骨骼和/或假体的损害或过度磨损的风险。这样的终板被设置在纺织套中，作为其结果纺织套包围芯的凝胶材料以及一个或 多个终板。结果，获得了在终板和芯材料之间的良好结合，以防止终板与芯材料分离。优选 地，使用挠性终板。因为终板位于套内，因此在芯和终板之间的良好而简单的结合，快速的最初固定 可以在套和骨骼之间没有损失任何接触面积的情况下实现，因此用于骨骼向内生长的最大 面积也被确保。在本发明的一个实施方案中，首先将纺织层施用到水凝胶芯周围。然后，将具有封 闭端的管状纺织材料设置在芯周围。随后，例如具有中心开口的终板形式的挠性较低的部 分在管状纺织材料上移动。将管状纺织材料反向折叠以这样的方式包封终板。在本发明的一个实施方案中，首先将具有封闭端的管状纺织材料设置在芯周围。
11使管状纺织材料围绕其纵向轴旋转并且反向折叠。然后，例如具有中心开口的终板形式的 挠性较低的部分在管状纺织材料上滑动。将管状纺织材料反向折叠以这样的方式包封终 板。如果已经将挠性较低的部分设置在套的两个纺织层之间，则因此还可以使用配置 有中心开口的环状的挠性较低的部分。这样的环状部分(该部分的形状也可以是肾形的 或带中心开口的卵圆形)因此被设置在第二层上，由此将第二纺织层反向穿过环的开口折 叠，并且可以在反向折叠之后，连接至第二层。结果，将挠性较低的部分固定在假体内的适 当位置，其中第二输送带(conveyor)封闭整个环。而且，第二挠性较低的部分可以以相同 的方式连接至假体的另一侧。在这种情况下，将在设置第一挠性部分之后形成的反向折叠 部分牵拉到假体的相反侧。然后，将第二挠性较低的部分设置在相反侧的反向折叠部分上， 由此将反向折叠部分通过第二部分的中心开口再次反向折叠。随后，可以将反向折叠部分 连接至下面的层。在本发明假体的一个优选的实施方案中，套设置有连接材料。所述连接材料可以 由金属栅格(grid of metal)或设置有钉(pin)的板组成。除用于将假体固定在体内，例 如固定到椎骨或其中植入假体的其它关节的终板以外，还可以使用这样的连接材料，或可 以使用这样的连接材料代替用于将假体固定在体内，例如固定到椎骨或其中植入假体的其 它关节的终板。连接可能存在于纺织套中的任何连接组成部分或连接材料比在根据现有技术的 缠绕结构体中更容易并且更可靠。缠绕体可以相对于其它缠绕体移动，并且连接元件可以 沿着缠绕体更容易地移动。其结果是，与根据现有技术植入的假体相比，本发明假体的移动 的风险降低。优选地，连接材料包含金属，并且特别是，它们由金属部件组成，例如由钛或不锈 钢组成。如果需要，这样的金属部件可以设置有涂层如羟基磷灰石涂层，其刺激骨骼附着和 骨骼生长。使用金属导致很牢固和耐久的结合，其在负荷下也保持完整。在本发明的一个优选的实施方案中，如果需要，纤维可以设置有涂层如羟基磷灰 石涂层，其刺激骨骼附着和骨骼生长。所述涂层优选仅被施用于与骨骼接触的纤维部分上。在一个优选的实施方案中，连接材料选自珠粒(beads)，夹子，钉子，以及它们的组 合，其可以被设置在纺织套内或穿过纺织套，并且可以连接至例如与假体连接的关节或椎 骨的表面或插入该表面中。所述在相邻骨骼材料中的插入也可以由于本发明假体的溶胀力 而平稳地进行。如果设置有具有连接材料的纺织套的本发明假体以部分地或完全脱水的状 态被植入关节中，水的吸收将引起假体在体内溶胀。作为所述溶胀压力的结果，连接材料例 如钉子将强行进入相邻的骨骼材料中以实现将假体结合连接到其上。这样的连接材料可以在纺织套的制备中和制备后被设置在已经完成的假体上。在前一种情况下，在纺织、针织、线轴针织、打结、编织、梭结花边等时结合例如珠 粒和/或夹子。其优点在于，将连接材料在套中形成整体，并因此不可拆卸地连接至纺织 套，因此连接至假体。在后一种情况下，设置例如钉子穿过已经制备的纺织套中。其优点在于可以在不 使用钉子的情况下以更简单的方式制备纺织套，并且在芯水合时使钉子强行进入骨骼。上述两种技术中的一种的选择将取决于各种环境。
本发明还涉及其中由凝胶材料组成的芯设置有套的方法，其特征在于，设置纺织套。这样的方法的优点在于，以这种方式获得的假体表现出关于耐久性、可植入性、疲 劳性和不凸出的优异性质。优选地，纺织套是与芯分开制备的，之后，将芯转移到套中。套是通过例如纺织、针 织或线轴针织这样制备的，其中芯被放入这样形成的套中，之后将套封闭。在另一个实施方案中，将纺织套原位设置在芯周围。在该实施方案中，例如，套是 在芯周围这样进行针织、纺织或线轴针织的，或者在所述的针织、纺织或线轴针织过程中的 中途将芯放置在套中，之后完成套。通常，这使得可以实现在芯和套之间的更好的配合。特别是，调节水凝胶以使其部分或完全脱水，或者，换言之，在放入纺织套之前处 于不完全溶胀的状态。其优点在于，部分或完全脱水的水凝胶的体积小于完全水合的水凝 胶，并因此可以通过外科手术更容易地植入，并且韧带的拉伸最小，因此在外科手术后的并 发症更少，并且长期复原时间更少。在适当的配合的情况下将纺织套设置在所述部分或完 全脱水或换言之不完全溶胀的水凝胶的芯周围。在植入之后，存在于体内的水的吸收将使得水凝胶水合，并且呈现出其最终的完 全水合的形式。在该完全水合的形式中，它是优选的，条件是纺织套被精确配合地设置在水 凝胶周围并且处于拉紧状态下以确保最佳的强度，优选呈现出椎骨之间的腔的形状以获得 与椎骨的最佳邻接。本发明使其变得可能，原因在于，水凝胶仅仅在被植入之后水合。为了 确保纺织套在水凝胶周围配合，优选在摩尔浓度方面对应于在植入部位处的体液的这种盐 溶液中检查纺织套的尺寸。本发明还涉及本发明假体在代替椎间盘方面的用途。在该情况下核和整个或部分 环均被移除，并且被本发明假体代替。本发明还涉及本发明假体在代替椎间盘的核方面的用途。在该情况下，仅仅从环 中移除核，并且将本发明假体插入留下的环中。本发明假体的另一个用途是代替膝盖中的半月板。但是，本发明的用途不限于此；其它用途也是可以的，例如，通常代替软骨组织。在权利要求中限定了本发明的进一步优选的实施方案。对假体的优选也同样适用 于本方法，反之亦然。下面将通过若干非限制性的实施例更详细地说明本发明。在实施例中，使用3个 变量，即，1)芯材料(硅氧烷橡胶或水凝胶材料)的组成，幻用于套的纤维的抗牵引性或不 抗牵引性(non-traction resistance)，和3)设置套(缠绕或纺织套)的方式。本发明的芯材料是凝胶材料，优选水凝胶。除此以外，在比较例中还提到了另一种 非凝胶材料即硅氧烷橡胶。在比较例和实施例中，使用抗牵引或不抗牵引的纤维的纤维；该术语的含义已经 在上面描述。最后一个变量涉及制备套的方式，S卩，它是纺织套还是缠绕套。在纺织套的情况 下，在实施例中对纺织套和针织套进行了区别。比较例1将水凝胶的芯包缠在不抗牵引的纤维中。对该假体进行多次试验，其结果显示在下表中。比较例2将硅氧烷橡胶材料的芯包缠在不抗牵引的纤维中。对该假体进行多次试验，其结 果显示在下表中。比较例3将水凝胶的芯包封在不抗牵引的纤维的纺织套中。对该假体进行多次试验，其结 果显示在下表中。比较例4将硅氧烷橡胶材料的芯包封在不抗牵引的纤维的纺织套中。对该假体进行多次试 验，其结果显示在下表中。比较例5将水凝胶的芯包缠在抗牵引纤维中。对该假体进行多次试验，其结果显示在下表 中。比较例6将硅氧烷橡胶材料的芯包缠在抗牵引纤维中。对该假体进行多次试验，其结果显 示在下表中。比较例7将硅氧烷橡胶材料的芯包封在抗牵引纤维的纺织套中。对该假体进行多次试验， 其结果显示在下表中。实施例1将水凝胶的芯包封在抗牵引纤维的纺织套中。对该假体进行多次试验，其结果显 示在下表中。实施例2将水凝胶的芯包封在抗牵引纤维的针织套中。对该假体进行多次试验，其结果显 示在下表中。比较例3所述芯由离子化的水凝胶组成。将四个Gore Preclude (Gore Medical， USA)的层设置在所述芯上，在所述层上继而设置三层纺织套。纺织套为孔径小于Imm的 Dyneema 纤维(DSM，荷兰)的针织套(〃封套(jacket)")。为了制备水凝胶，凝胶混合物首先由甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸钠 (NaMA)、蒸馏水、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯550Mn(PEG2Ma交联剂)和2，2'-偶氮双_(2_甲 基3-戊酮-脒)-二盐酸盐(聚合引发剂)以摩尔比制成，凝胶的组成为HEMA (18摩尔)， NaMA (2摩尔)，H2O (79. 93摩尔)，交联剂(0. 04摩尔)，聚合弓|发剂(0. 03摩尔)。该混合物如下制备。首先将NaMa加入到测定量的水中，并且通过搅拌溶解。之 后，将HEMA、交联剂和聚合弓I发剂分步加入，并且在每一次添加之后进行搅拌。在最一次添 加之后，将整个混合物搅拌1小时。将预先成形的泡沫体块放入30X5mm的圆柱形模具中。通过真空将该混合物吸引 到模具中，并且因此进入预先成形的泡沫体块中。然后将模具放入45°C的水浴中。以这样 的方式，使凝胶聚合一晚。将聚合的凝胶投入浓盐溶液中，使得剩下的单体被冲洗掉，并且作为盐溶液通过渗透作用从凝胶吸引水的结果，凝胶的尺寸被尽可能多地降低。现在通过在凝胶上以曲折的方式折叠尺寸为12X12的膜而形成本发明假体的 芯，使得凝胶在所有侧均被四个膜层包围。在其周围，通过将套牵拉到芯上并且扭动开口侧 使得开口侧被封闭，施用已经像长袜一样针织的套。现在将该长袜的其余部分反向折叠并 且再次设置在芯周围。再一次进行该程序，并且使用Dyneema 纤维通过缝纫封闭最后的 末端。通过将假体整个地放置在低渗透盐溶液中而对其赋予刚性，作为其结果水凝胶将通 过水的渗透吸收而溶胀，并且套将处于拉紧状态下。腿对比较例和实施例1和2进行下列测试，并且显示假体在多大程度上具有所需的 性质。测试结果显示在表1中。A)术语"抗疲劳性"表示假体在多大程度上耐受大量负荷，并且因此表示假体的 使用寿命是多少。B)术语"易植入性"应理解为表示在外科手术中人造椎间盘可以由外科医生植 入的简易程度。该特性取决于假体的尺寸、挠性、套、和溶胀能力等因素。C)术语"溶胀能力"是指假体一方面由于芯的水吸收能力并且另一方面由于套 的刚性而建立高的内部压力的能力。D)术语"不凸出"表示芯材料在经受负荷时保持在将套内的程度。E)术语"磨损性质"是指由纤维彼此相对摩擦引起的磨耗的程度；磨耗的程度 低导致关于磨损性质的分数高。F)术语"骨骼附着"应理解为表示骨骼附着到体内的假体上的容易性和程度。从表1还看出(参见例如比较例5和比较例1)，与缠绕套相比，纺织套的使用导致 凸出和耐久性的改善。此外从上表看出(参见例如比较例3和实施例1)，与不抗牵弓I的纤维相比，抗牵弓I 纤维的使用导致疲劳和磨损性质的改善。从上表看出(参见实施例1和实施例2)，与纺织套的使用相比，针织套的使用提供 关于不凸出和磨损性质的更好的结果。其解释可能是，在针织中仅使用一根纱，而在纺织中 使用数根纱。因此从该表看出，i)用于芯部分的凝胶材料，ii)用于芯套的纺织材料和iii)用 于纺织套的抗牵引纤维的使用的各方面的组合特别地提供了关于根据本发明的假体的抗 疲劳性、易植入性、溶胀能力、磨损性质和不凸出的优异性质。表 1 1权利要求
1.一种假体，其包括凝胶材料芯和包围所述芯的纤维套，其特征在于，所述纤维套由纺 织材料组成。
2.根据权利要求1所述的假体，其特征在于，所述纤维套包含抗牵引纤维。
3.根据权利要求2所述的假体，其特征在于，所述抗牵引纤维的拉伸强度为至少lGpa， 优选至少lOGpa。
4.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述套包括至少一个层， 优选至少两个以上的层。
5.根据权利要求4所述的假体，其特征在于，所述至少两个层是连接的。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述套是针织或打结的， 优选是针织的。
7.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述套具有至多Imm2的 网眼尺寸。
8.根据权利要求6-7中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述针织套的线圈密度 为至少10个线圈/英寸G个线圈/cm)，优选至少20个线圈/英寸(8个线圈/cm)。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述纤维套包含聚乙烯纤维。
10.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述凝胶材料是水凝 胶，优选纤维增强的水凝胶。
11.根据权利要求10所述的假体，其特征在于，所述水凝胶是用拉伸强度为至多IGPa 的纤维增强的。
12.根据权利要求10-11中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述水凝胶是用基于 所述水凝胶的重量为至少5%的量的纤维增强的。
13.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，在所述芯和所述套之间 存在保护层，所述层将所述芯整个或部分地进行包封，并且所述层优选为膜或薄膜。
14.根据权利要求13所述的假体，其特征在于，所述保护层具有孔，所述孔具有在Inm 至100 μ m之间的范围内的孔径。
15.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述芯由挠性部分和挠 性较低部分构成，其中所述芯优选具有带扁平上侧和下侧的拉平体的形状，同时挠性较低 部分被具体设置在所述芯的一侧或两侧。
16.根据权利要求15所述的假体，其特征在于，所述挠性较低部分的形状是环状的，并 且设置有中心开口。
17.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述套在远离所述芯的 一侧设置有连接材料，所述连接材料优选由金属制成，特别地选自珠粒、夹子和钉子。
18.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其中所述假体的刚性取决于所述假 体内的溶胀压力，所述溶胀压力是通过在所述凝胶的溶胀和所述纺织套的刚性之间平衡使 得对所述纤维加偏压并且限制溶胀量而得到的。
19.根据前述权利要求中一项或多项所述的假体，其特征在于，所述挠性较低部分被设 置在两个层之间或在层和所述芯之间。
20.一种用于制造根据权利要求1-19中一项或多项所述的假体的方法，其中由凝胶材料组成的芯设置有套，其特征在于，设置纺织套。
21.根据权利要求20所述的方法，其中将所述纺织套与所述芯分开制造，之后将所述 芯转移到所述纺织套中。
22.根据权利要求19所述的方法，其中将所述纺织套原位设置在所述芯周围。
23.根据权利要求21-22中一项或多项所述的方法，其特征在于，使用水凝胶作为所述 凝胶材料，所述水凝胶优选以完全或部分脱水的状态被放入到所述套中。
24.根据权利要求1-19中一项或多项所述的或通过使用根据权利要求20-23中一项或 多项所述的方法获得的假体用于代替整个椎间盘、椎间盘核或半月板的用途。
全文摘要
本申请涉及一种假体，其包括凝胶材料芯和包围所述芯的纤维套。另外，本申请涉及一种制造该假体的方法。本申请的目的是提供一种基于结合低剪切刚性和高度的韧性以及良好的溶胀性质的材料的假体。本发明的另一个目的是提供一种基于表现出优异的耐久性和耐磨性的材料的假体。
文档编号A61F2/44GK102098985SQ200980128167
公开日2011年6月15日 申请日期2009年7月15日 优先权日2008年7月18日
发明者彼得·罗纳德·范登布洛克, 格特·尼耶伯宁, 西尔维亚·沃格纳姆, 雅克·玛丽·勒内·于热 申请人:埃因霍芬理工大学