用于骨内植入的复合部件及用于制造所述部件的方法
【专利摘要】本发明涉及适合于体内骨内植入的部件(100)，其由包含以下的材料组成：热塑性有机粘合剂(210)和纤维填充物(330、230)，其中位于所述部件表面层中的纤维(330、230)在其整个或部分长度上大多与粘合剂分层。本发明还涉及用于生产这样的部件的方法。
【专利说明】用于骨内植入的复合部件及用于制造所述部件的方法
[0001]本发明涉及设计成植入骨组织的部件，例如用于医疗或兽用目的牙植入体、假体或骨填充物，其中所述部件由这样的材料制成，所述材料与特殊的制作方法相结合加速了其骨整合到接受组织(receiving tissue)中。
[0002]由生物相容聚合物制成的不同植入体在现有技术中是已知的，其中制作方法允许产生由微孔构成的表面织构，所述微孔有利于接受组织的细胞定殖，从而加速所述植入体的骨整合。
[0003]虽然现有技术的这些植入体提供了非常满意的结果；但是，通过该机制得到的骨整合层的厚度(相当于表面微孔的深度)为约1000纳米(Ιμπι)。但是，普遍接受的是，优选组织和植入体较大厚度的互相渗透(至少为I μ m至10 μ m)，当植入体的弹性特性与接受组织的弹性特性不同时更是如此。因此在增强植入体时，特别是通过纤维并且更特别地当形成中的皮层(cortex)的弹性模量还没有与植入体的弹性模量相当时在骨整合过程开始时增强，尤其要寻找这种增加的互相渗透。
[0004]此外，这样的微孔表面织构(texture)难以或者甚至不能使用成本有效的植入体制造方法例如注射成型来制作。
[0005]本发明的目的在于通过提议植入体和用于制作所述植入体的成本有效方法来补救现有技术的这些缺点，从而在某种程度上增加植入体与骨接受组织(receiving bonetissue)之间的互相渗透深度。
[0006] 为此 目的，本发明公开了适合于体内骨内植入的部件，其由包含以下的材料制成:
[0007]-热塑性有机粘合剂；和
[0008]-纤维填充物(charge),
[0009]其中在所述部件的表面层中，所述纤维大多在其部分长度上与粘合剂分层。
[0010]纤维意指长厚比大于10的微纤维、纳米纤维或纳米管。微纤维是厚度为约以微米(micrometer)或微米(micron)计的纤维，也就是说厚度基本为10-6米至10-5米。纳米纤维和纳米管是厚度为约以纳米计的纤维，也就是说厚度基本为10_9米至10_8米。
[0011]表面层中纤维的分层使得可产生间隙，其充当导管并且通过该层厚度中的毛细作用将有机流体带入其中，从而加速层的细胞定殖。纤维的性质还使得可通过吸附来帮助和加速这些有机流体的输送。
[0012]本发明可根据以下描述的有利实施方案来实施，所述实施方案可认为是单独的或任意技术操作组合。
[0013]有利地，热塑性粘合剂由已知其生物相容性的聚醚醚酮(PEEK)制成。
[0014]还有利地，纤维填充物包含由芳香族聚酰胺家族聚合物制成的纤维，其还具有优异的生物相容性和高机械性。更特别地，玻璃化转变温度接近于PEEK注射成型温度的聚(酰胺-酰亚胺)，由于其易于在注射期间变形而使得纤维在植入体中能够均匀分布，甚至当纤维相对较长时也是如此。
[0015]表面层中分层纤维的传导作用使得可得到至少2μπι的所述层厚度，也就是说其显著大于可用通过注塑制作的包含表面微孔而没有分层作用的植入体得到的厚度。
[0016]有利地，制成植入体的材料除纤维之外还包含由钙和磷制成的组分的填充物。这些再吸收组分有利于骨整合和愈合。
[0017]有利地，基于钙的组分的填充物由具有六方β结构的磷酸三钙Ca3(PO4)2制成。这些磷酸三钙混合物在注射成型操作期间转变成再吸收的非化学计量的钙磷灰石晶体。
[0018]有利地，制成可植入部件的材料还可包含沸石填充物。沸石有利于与植入环境静电连接并与所述环境离子键合。这样的填充物还有助于使材料不透射线。
[0019]有利地，纤维填充物包括由硅酸钙(Ca2SiO4)制成的纤维。部件表面处这些纤维的存在加速了植入环境中间隙液的吸收，并因此加速了部件表面的细胞定殖。
[0020]本发明还涉及一种用于制造这样的植入物的方法，其中所述方法包括以下步骤:
[0021]a)通过挤出和造粒使热塑性聚合物与纤维填充物混合；
[0022]b)通过将步骤(a)中得到的颗粒注射在包含适当形状腔体的模具中来模制部件；
[0023]c)使步骤(b)中的坯件(blank)经历超声酸洗浴，维持适合于使表面层中的纤维分层的一段时间。
[0024]注塑方法使得可成本有效地产生大量的该类型的植入体，其在模制操作结束时具有成品尺寸。其还使得可通过材料流渗透到模具中来引导纤维并从而得到最佳的增强作用，甚至当植入体的形状复杂时也是如此。将浴的化学作用与超声的机械作用相组合的物理-化学处理使得可同时对植入体的表面进行酸洗/冲洗，以消除与注射成型方法有关的任何污染并且在表面层中产生能够产生期望传导作用的纤维分层。
[0025]为了得到除纤维之外还包含由钙和磷酸盐制成的混合物的部件，本发明还涉及用于制作颗粒或混合物的方法，其包括以下步骤:
[0026]-通过使聚合物粘合剂与以粉末形式引入的混合物通过挤出和造粒混合制作第一颗粒或混合物；以及
[0027]-在第二挤出和造粒操作期间使第一颗粒与纤维混合以形成用于注射成型操作的颗粒。
[0028]有利地，还可在制作第一颗粒期间引入沸石填充物。
[0029]纤维填充物有利地为混合物的5质量％至15质量％。该比例导致最终部件的显著增强，同时允许使用注射方法进行其制造，并且允许通过挤出和造粒使纤维与聚合物粘合剂混合或组合(compounding),无论粘合剂是否首先填充有含韩混合物和/或沸石。
[0030]本发明还涉及用于通过注塑制造纤维增强植入体的颗粒或混合物，所述颗粒包含:
[0031]-聚醚醚酮(PEEK)聚合物粘合剂；
[0032]-10质量％至20质量％的含钙混合物和沸石的填充物；
[0033]-5%至15%的纤维填充物。
[0034]该类型颗粒可直接用于根据本发明方法的步骤(b)的注塑制造。
[0035]在根据本发明的颗粒的第一实施方案中，纤维填充物包含由聚(酰胺-酰亚胺)制成的纤维，其玻璃化转变温度等于或低于PEEK的注射温度。
[0036]在根据本发明的颗粒的第二实施方案中，纤维填充物包含由硅酸钙(Ca2SiO4)制成的纤维。[0037]模制之后，在一系列超声浴中对部件进行酸洗以使其适合于体内植入并且有利地在其上产生有助于接受环境中的骨整合的表面层。
[0038]有利地，以指定顺序在一系列浴中进行酸洗，其包括:
[0039]-浸入经历适合于减少含铁颗粒的超声的浴中；
[0040]-浸入经历超声的粘合剂溶剂中，所述溶剂对于纤维是惰性的。
[0041]第一浴使得可消除来自注射压机和模具的金属颗粒的表面污染。通过仅溶解粘合剂，使得第二浴可与超声共同作用，以产生表面层中纤维与基质分离或分层。浴的顺序是重要的，原因是酸还可对表面上存在的纤维和/或含钙混合物或沸石的填充物具有减少作用。通过首先用酸进攻，溶剂的后续作用使得这些混合物在表面上再次出现。
[0042]根据一个有利的实施方案，更特别地适合于其中制成植入体的材料在PEEK基质中包含纤维以及沸石和含钙混合物的填充物的实施方案，酸洗操作包括浸入以下浴中:
[0043]-盐酸、
[0044]-丙酮、
[0045]-过氧化氢。
[0046]通过在也经历超声的水浴中冲洗来进行分离。最后的过氧化氢浴特别使得当根据本发明的可植入部件包含硅酸钙纤维时可在在部件表面处浮现的那些纤维表面上产生二氧化硅(SiO2)层。通过吸收水分，所述二氧化硅层有助于有机流体在植入体表面层中的传导。
[0047]现将在图1至4所示的不是限制性的优选实施方案的上下文中更详细地描述本发明，其中:
[0048]-图1是根据本发明一个示例性实施方案的骨内牙植入体的前视图；
[0049]-图2示出了沿图1所限定的详图Y;截面AA也如图1所限定；
[0050]-图3在图3A至3E中表示在制作根据本发明一个示例性实施方案的植入体并将其植入骨中的阶段期间，沿所述植入体表面截面AA的在图2中所限定的详图Z ；
[0051]-以及图4是制作并实现根据本发明的植入体的不同阶段的图。
[0052]在图1中，可使用塑料注射成型方法成本有效地制作具有复杂形状的植入体
(100)的一个实例。该示例性实施方案(不是限制性的)表示本发明制作牙植入体的应用。所述牙植入体包括设计成接受上层结构(例如核心构建)的上部(101)和设计成植入骨组织中的所谓的下部(110)。下部(110)可任选地包括浮凸(relief)例如脊，调整其以有助于其在位置例如在接受骨组织中产生的孔中的最初的机械键合。这种最初的键合脊或浮凸部件的尺寸为约I毫米。所述植入体主要由具有高生物相容性的热塑性聚合物制成并且适合于使用注射成型技术来实现。作为一个非限制性实例，所述聚合物可由如以名称1VICTREX?PEEK150G?由V丨CTREX?商业分销的聚醚醚酮或peek制成。有利地，粘合剂可由同时包含PEEK、含钙混合物和沸石的填充物的材料制成，例如法国专利FR2722694或美国专利US5872159所描述的材料。
[0053]在图2中，根据第一详述的截面图，制成植入体的材料包含PEEK中的基质(210)或粘合剂，直径为约lym(10_6米)的含钙混合物的颗粒(230)以及增强纤维(220)。在该示例性实施方案中，增强纤维(220)由聚(酰胺-酰亚胺)制成，例如可以以名称KERMEL? TECH 商购自 KERMEL?, 20rue Ampere, 68027Colmar, France 的纤维。在使用微纤维的一个示例性实施方案中，这些微纤维的直径为约7μπι并且长度为约700 μ m(0.7mm)。因为植入体使用注塑方法得到，所以PEEK的注射温度等于或大于所述聚合物的玻璃化转变温度，使得纤维在注射温度下可容易变形并且使得纤维基本跟随材料流一起。
[0054]在一个有利的实施方案中，纤维填充物可另外地或唯一地包含硅酸钙纤维(Ca2SiO4)(图2中未示出)。所述材料在注射温度下是刚性的并因此在所述温度下不变形。另外，硅酸钙纤维的尺寸优选较小，直径为约I μ m并且长度为约10 μ m至50 μ m。为了防止注射过程期间的堵塞，纤维(包括所有纤维)的总分数必须不超过15质量％。
[0055]有利地，含钙混合物的填充物(230)由β相的磷酸三钙Ca3(PO4)2制成。磷酸三钙的β相是具有六方结构的结晶相，其在低温下是稳定的。
[0056]通过与磷酸三钙粉末、PEEK和可能的沸石中所含的水分组合，根据以下反应，混合物在注射成型操作期间经历转变:
[0057]4Ca3 (PO4) 2+4 (H2O) =>3 ((Ca3 (PO4) 2) (OH) 2Ca+2HP04+l/202
[0058]3 ((Ca3 (PO4) 2) OH2) Ca是羟磷灰石。该磷灰石是完全非化学计量的，并因此是再吸收的,给予根据本发明的可植入部件的材料以类似于骨组织中移植体的整合性质。
[0059]为此目的，在注射期间使用的粉末是没有脱水的。它们可有利地被再水化，或者可向其中添加正磷酸(H3PO4)以促进该反应。
[0060]在图3中，在更小规模的表面的观察使得可根据所述方法的实施步骤和本发明的可植入部件来分析表面的形态学，其通过图4所示方法的步骤来进行。
[0061]在一个示例性实施方案中，通过目的在于得到颗粒的第一步得到植入体，所述颗粒混合有:`
[0062]-80 重量％的 PEEK,
[0063]-10重量％的磷酸三钙(Ca3PO4)，
[0064]-10重量％的二氧化钛(TiO2)。
[0065]在340°C至400°C的温度下通过挤出使所有组分混合。
[0066]通过挤出的造粒，得到第一颗粒，根据相同的挤出和造粒方法将其与10质量％的KERMEL?tech型聚(酰胺-酰亚胺)纤维和硅酸钙纤维混合。
[0067]将以该方式得到的第二颗粒用于植入体的塑料注射成型(410)。在340°C至400°C的温度和70MPa至140MPa的压力下进行模制，其中将模具加热至高于PEEK玻璃化转变温度的温度或约160°C的模具预加热温度。
[0068]KERMEL'i TECH型纤维的玻璃化转变温度为340°C，因此它们可在注射温度下变形，使得它们能够跟随材料流并在挤出和造粒操作期间在颗粒中和在注射成型操作期间在部件中均匀分布。
[0069]在图3A中的模制操作(410)结束时，植入体的表面基本上平滑并且包含略微浮现的含钙混合物的一些颗粒(211)和沸石(212)。纤维(330)(在这种情况下硅酸钙)也存在于表面附近并且可由所述表面略微浮现。植入体的表面还包括与模具和注射压机螺钉相接触的金属夹杂物(340)。
[0070]在模制操作结束时，使植入物经历一系列经历超声的化学蚀刻/酸洗浴。例如，通过施加频率为42kHZ的超声，以下方案提供了良好的实践结果:[0071]-HCI30%:35 分钟
[0072]-H2O: 10分钟(或冲洗)
[0073]-C3H6O (丙酮):在丙酮的沸腾温度下35分钟
[0074]-通过丙酮蒸发来干燥植入体。
[0075]-H20230%:35 分钟
[0076]-NaCIO:35 分钟
[0077]-H2O: 10 分钟(或冲洗)。
[0078]然后还在超声下将植入体浸入灭菌剂中:
[0079]GIGASKPT? 12%:35 分钟
[0080]-H2O pp1: 35 分钟
[0081 ] 浸入G ICASFfr?溶液中是任选的。
[0082]在第一步(420)中，使植入体在盐酸中经历酸洗。这样的酸洗主要目的在于移除金属夹杂物。在该酸洗操作之后，图3B中植入体的表面不含金属夹杂物，另外，浮现的含钙颗粒离开其位置中对应的腔体(311)。
[0083]在冲洗之后 ，下一步(430)在于将植入体浸入也经历超声的丙酮浴中。在图3C中，在该步骤(430)结束时，溶解了某厚度的PEEK，使得可看见最初在下面的含钙混合物和沸石的颗粒(211、212)。超声也倾向于使在基质中其植入的表面处浮现的纤维(330)分层。
[0084]在冲洗之后，下一步(440)在于将植入体浸入也经历超声的过氧化氢浴。在图3D中，该浴在根本上不改变表面的形态。另一方面，其对硅酸钙纤维的表面有影响，其中其倾向于在其表面通过氧化形成二氧化硅(SiO2)。
[0085]有利地，然后将植入体插入灭菌套中以进行高压灭菌处理。然后使其在约135°C的温度下在约2150hPa的压力下经历灭菌循环10分钟。所述高压灭菌操作有助于实现表面酸洗功能；其可与环氧乙烷或Y射线处理相结合。此外，其有助于钙混合物颗粒在表面上结晶。在灭菌结束时，将植入体装入无菌包装中并准备植入骨组织中。
[0086]在图3e中，在将所述植入体植入(450)组织中时，无论纤维是KERMEL纤维还是硅酸钙纤维，有机流体(例如血液)都将通过毛细作用跟随纤维与基质之间的分层。在硅酸钙纤维的情况下，这些纤维表面上存在的二氧化硅吸收流体并从而有助于表面下的传导。在表面上，并且通过纤维进行传导在所述表面下使基于钙的混合物(211)与这些有机流体相接触。因此这些混合物的再吸收性质有助于细胞定殖，导致植入体表面接枝在骨组织中。
[0087]对现有技术的植入体施加表面处理使得可得到约I μ m的表面层厚度，所述现有技术的植入体在PEEK基质中仅包含磷酸钙混合物和二氧化钛。对具有相同形状但是由另外包含10%聚(酰胺-酰亚胺)纤维或硅酸钙纤维的材料制成的植入体施加相同处理使得可得到3.6 μ m的活性表面层厚度。
[0088]以上描述清楚地阐明了通过其不同特性及优点，本发明实现了其目的。特别地，其使得可得到经注射成型的增强植入体，其包含厚度为可在没有增强下实现的厚度的至少3倍的表面骨整合层。
【权利要求】
1.一种适合于体内骨内植入的部件(100)，其特征在于，其由包含以下的材料制成: -热塑性有机粘合剂(210)，和 -纤维填充物(330、230)， 其中位于所述部件表面层中的纤维(330、230)在其全部或部分长度上大多与所述粘合剂分层。
2.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述纤维填充物(230、330)由纳米纤维或纳米管制成。
3.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述纤维填充物(230、330)由微纤维制成。
4.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述粘合剂(I)由聚醚醚酮制成。
5.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其包含由芳香族聚酰胺家族的聚合物制成的纤维(230)。
6.根据权利要求5所述的部件，其特征在于，所述纤维(230)由聚(酰胺-酰亚胺)制 成。
7.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其包含由硅酸钙(Ca2SiO4)制成的纤维。
8.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，所述表面层的厚度大于或等于2000纳米。
9.根据权利要求1所述的部件，其特征在于，其由还包含组分(2)的填充物的材料制成，所述填充物由钙和磷酸盐制成。
10.根据权利要求9所述的部件，其特征在于，基于钙的组分形成的填充物由具有六方β结构的磷酸三钙Ca3 (PO4) 2制成。
11.根据权利要求9所述的部件，其特征在于，其由还包含沸石填充物的材料制成。
12.一种用于制造根据权利要求1至8中任一项所述的部件的方法，其特征在于，其包括以下步骤: a)通过挤出和造粒使热塑性聚合物与纤维填充物混合；以及 b)通过将步骤(a)中得到的颗粒注射在包含适当形状腔体的模具中来模制所述部件；以及 c)使步骤(b)中得到的坯件经历超声酸洗浴，维持适合于使表面层中的所述纤维分层的一段时间。
13.一种用于制作适合于注射以制造根据权利要求9至11中任一项所述的部件的颗粒的方法，其特征在于，其包括以下步骤: -通过挤出和造粒使热塑性聚合物与包含基于钙的组分的填充物混合以得到第一颗粒；以及 -通过挤出和造粒使所述第一颗粒与纤维填充物混合以得到最终颗粒，所述最终颗粒适合于进行根据权利要求10所述的方法的步骤(b)的注射。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述纤维填充物(330、230)为混合物的5质量％至15质量％。
15.一种用于通过注塑制造根据权利要求9至11任一项所述的部件的颗粒或混合物，其特征在于，其包含: -聚醚醚酮(PEEK)聚合物粘合剂，-10质量％至20质量％的含钙混合物和沸石的填充物， -5%至15%的纤维填充物。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤(c)按顺序包括: -浸入(420)经历适合于减少含铁颗粒的超声的浴中；以及 -浸入(430)经历超声的粘合剂的溶剂中。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法的步骤(c)按顺序包括浸入经历超声的以下浴中:
-盐酸(420)、 -丙酮(430)、 -过氧化氢(440)， 其通过在也经历超声的水浴中冲洗进行分离。
【文档编号】A61L27/18GK103747813SQ201180072851
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2011年7月13日 优先权日:2011年7月13日
【发明者】让-皮埃尔·库古利克 申请人:凯瑟琳·卡多雷尔