一种自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法

一种自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法，该自稳型颈椎椎间融合器包括由矿化胶原材料制成的融合器主体以及由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板，所述融合器主体呈前高后低的楔形，所述颈前路固定板位于融合器主体前端且与融合器主体一体成型，所述颈前路固定板上下两端还分别设有用于与颈椎固定的固定孔。本发明通过设计一体成型的颈前路固定板和融合器主体，可以将整个自稳型颈椎椎间融合器固定在上下椎体上，防止其向前滑脱或者向后滑动而压迫中枢神经；并且由矿化胶原材料制成的融合器主体可被降解吸收，并可引导新骨的生成，而由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板也可在术后自行降解，避免了二次手术取出。
【专利说明】一种自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及椎间融合器技术，更具体地说，涉及一种自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法。

【背景技术】
[0002]椎间融合器(interbody fus1n cage),也常被称作脊柱融合器(spine cage),是临床上椎间植骨融合手术中常用的一种医疗器械，多用于全椎间盘置换术，在清除病变/坏死椎间盘后，置入装有自体骨或其它植骨材料的椎间融合器，能有效起到即刻稳定、撑开并维持椎间隙高度，促进椎体相邻节段融合的作用。
[0003]目前临床使用的椎间融合器主要采用钛合金、不锈钢、聚醚醚酮、碳纤维、同种异体骨等材料制成。但这些材料在生理环境中均不可被降解吸收，因而在植入后将永久作为异物留存于体内，不是理想的骨修复材料。
[0004]近年来，人们利用可降解生物材料(如聚乳酸)开发出体内可降解吸收椎间融合器。这类椎间融合器在植入体内初期可以为椎间融合提供有效的力学支撑，维持椎间隙高度。随着椎间植骨融合的进行，椎间融合器的材料逐渐降解，为患者的新生骨组织提供生长空间，并最终完全降解，同时两相邻节段实现完全融合，达到椎间融合的治疗目的。聚乳酸材料在降解过程中能够被分解成乳酸分子，参与到人体的三羧酸循环当中，并最终分解为水和二氧化碳而排出体外。
[0005]然而，出于防止椎间融合器向前滑脱、提高相邻融合节段的稳定性、维持椎间隙高度和生理曲度等方面的需要，在经前路的颈椎椎间融合手术中通常还需要对上下椎体进行固定，这类固定装置使用的是颈前路钛板(或不锈钢板)，目前尚无可吸收材料的颈前路固定板。因此，目前的颈椎椎间融合手术即使采用可吸收椎间融合器，也需要使用颈前路钛板/不锈钢板进行固定，存在以下几方面缺点:
[0006]1.颈前路钛板/不锈钢板对食管及其附近肌肉、组织造成压迫，使患者长期具有异物感和不适感，尤其在吞咽时异物感明显；
[0007]2.当行椎间融合术的颈椎两节段融合之后，颈前路钛板/不锈钢板需通过二次手术取出，增加了患者痛苦和经济负担；
[0008]3.由于聚乳酸等可降解生物材料的弹性模量相对于钛、不锈钢等金属材料而言低得多，颈前路钛板/不锈钢板的高弹性模量在椎间隙的前方形成应力遮挡，不利于椎间形成骨融合；
[0009]4.颈前路钛板/不锈钢板仅在前部对椎间融合器形成阻挡，而并未与椎间融合器固定在一起，不能避免椎间融合器向后滑脱，进入椎管后而压迫中枢神经，造成疼痛甚至瘫痪等严重后果。


【发明内容】

[0010]本发明要解决的技术问题在于，针对现有自稳型颈椎椎间融合器采用单独的钛板或不锈钢板在前端对融合器进行阻挡存在上述缺陷的问题，提供一种由矿化胶原材料制成的融合器主体以及由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板一体成型的自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法。
[0011]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种自稳型颈椎椎间融合器，包括由矿化胶原材料制成的融合器主体以及由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板，所述融合器主体呈前高后低的楔形，所述颈前路固定板位于所述融合器主体前端且与所述融合器主体一体成型，所述颈前路固定板上下两端还分别设有用于与颈椎固定的固定孔。
[0012]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述融合器主体长度为14.0-16.0mm,宽度为12.0-14.0mm,高度为6.0-9.0mm ;且所述融合器主体前端与后端的高度差为Imm以上；所述融合器主体的上端面和下端面设有深度为0.3-0.8mm、间距为
1.5-2.5mm的齿状结构。
[0013]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述融合器主体设有穿透所述上端面和下端面的垂直通孔；所述垂直通孔为直径3-6_的圆柱形或者为边长3-6_的方形，并且所述垂直通孔边缘到所述融合器主体后端面的距离不小于3mm ;所述融合器主体还设有穿透左右侧面并与所述垂直通孔连通的水平通孔，所述水平通孔为直径3-4_的圆柱形。
[0014]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述颈前路固定板的高度为20.0-28.0mm,宽度为8.0-12.0mm,厚度为1.5-3.0mm,且所述颈前路固定板的上下两端为圆弧形或方形。
[0015]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述融合器主体沿高度方向的抗压强度为70-120MPa ;所述颈前路固定板的抗弯强度为40_70MPa。
[0016]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述融合器主体的降解时间为6-18个月，所述颈前路固定板的降解时间为3-12个月。
[0017]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述融合器主体由采用以下方法制备的矿化胶原材料制成:
[0018]步骤S1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为 5.0 X 10^-5.0X10 VmL ；
[0019]步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01-0.16mol ；
[0020]步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1-2/1 ；
[0021]步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH = 6_8，当pH = 5-6时,混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时,混合体系出现白色悬池液；
[0022]步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置24-120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥至恒重；
[0023]步骤S6、将步骤S5的冷冻干燥产物研磨后过筛，筛选出粒径〈200 μ m的矿化胶原粉体备用。
[0024]在根据本发明所述的自稳型颈椎椎间融合器中，所述颈前路固定板由以下一种或者多种医用可降解聚合物材料制成:聚乳酸、聚羟基乙酸和乳酸-羟基乙酸共聚物；所述医用可降解聚合物材料的分子量为50，000-800, 000。
[0025]本发明还提供了一种如前所述的颈椎锥间融合器的制造模具，包括用于融合器主体成型的第一模具组件，以及用于颈前路固定板成型的第二模具组件；
[0026]其中，所述第一模具组件包括:第一成型模、第一套模、第一压柱、装料模、底柱和底座；所述第一成型模置于所述底座上且下部容纳有截面形状与所述融合器主体的后端面相同的底柱，所述装料模置于所述第一成型模上且上部容纳有截面形状与所述融合器主体的前端面相同的第一压柱，所述第一套模套设在所述第一成型模和装料模交接处的外围用于对齐所述第一成型模和装料模；所述第一成型模和装料模之间构成用于所述矿化胶原材料冷压成型形成融合器主体的封闭的第一型腔；
[0027]所述第二模具组件包括:第二成型模、第二套模、第二压柱、加热套筒、加热棒、第一隔热硅胶片和第二隔热硅胶片；所述第二成型模通过所述第一隔热硅胶片置于所述第一成型模上，且上部容纳有截面形状与颈前路固定板的前端面相同的第二压柱，所述第二套模套设在所述第一成型模和第二成型模交接处的外围，用于对齐所述第一成型模和第二成型模；所述加热套筒套设在所述第二成型模外围并通过第二隔热硅胶片置于所述第二套模上；所述加热棒设置在所述加热套筒中；所述第二成型模和具有融合器主体的第一成型模之间构成用于医用可降解聚合物材料熔融成型形成颈前路固定板的封闭的第二型腔。
[0028]本发明还提供了如前所述的自稳型颈椎椎间融合器的制造方法，包括以下步骤:
[0029]在制造模具中使用粉末状的矿化胶原材料进行将融合器主体的冷压成型，并在800-1200MPa压力的条件下进行30-300秒保压；
[0030]在成型的融合器主体的基础上填充医用可降解聚合物材料，并以不低于40°C /min的升温速率加热至医用可降解聚合物材料的熔点，进行颈前路固定板的熔融成型；
[0031]待制造模具冷却至室温，取出成型物，进行切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，获得自稳型颈椎椎间融合器。
[0032]本发明采用冷压成型与熔融成型的工艺相结合，制造出一体成型的自稳型颈椎椎间融合器，融合器主体和颈前路固定板虽为不同材料制造，但一体成型加工工艺使这两部分结合牢固，提高了植入物的安全性。在制造过程中，首先在制造模具中将融合器主体冷压成型，并进行30-300秒保压。其中，保压时间非常关键，保压时间太短不利于矿化胶原粉末紧密结合，影响成型器件的机械强度和后处理过程中的机械加工性能，也容易导致器件表面产生掉粉、遇水溶胀、体内降解过快等不良后果，保压时间太长将使成型器件内部应力过大，可能导致应力开裂，保压时间太长也降低了生产效率。其中，颈前路固定板可以在熔融成型时便采用特定结构的模具使其形成固定孔，也可以在成型后通过钻孔等方式形成该固定孑U
[0033]实施本发明的自稳型颈椎椎间融合器及其制造模具和制造方法，具有以下有益效果:本发明通过设计一体成型的颈前路固定板和融合器主体，可以将整个自稳型颈椎椎间融合器固定在上下椎体上，防止其向前滑脱或者向后滑动而压迫中枢神经；并且由矿化胶原材料制成的融合器主体可被降解吸收，并可引导新骨的生成，而由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板也可以在术后自行降解，有效地减轻了患者的不适感，也避免了二次手术取出。

【专利附图】

【附图说明】
[0034]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0035]图1为根据本发明优选实施例的自稳型颈椎椎间融合器的主视图；
[0036]图2为根据本发明优选实施例的自稳型颈椎椎间融合器的右视图；
[0037]图3为根据本发明优选实施例的自稳型颈椎椎间融合器的立体图；
[0038]图4为根据本发明优选实施例的自稳型颈椎椎间融合器的制造模具在融合器主体成型时的竖直剖面；
[0039]图5所示为图4中A-A处的水平剖视图；
[0040]图6为颈前路固定板成型时的竖直剖面示意图；
[0041]图7为图6中移除第二压柱的俯视图；
[0042]图8为第二压柱的俯视图。

【具体实施方式】
[0043]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0044]请参阅图1至图3，分别为根据本发明优选实施例的自稳型颈椎椎间融合器的主视图、右视图和立体图。如图所示，该自稳型颈椎椎间融合器包括融合器主体I和颈前路固定板2。该融合器主体I由矿化胶原材料制成，颈前路固定板2由医用可降解聚合物材料制成。融合器主体I呈前高后低的楔形，颈前路固定板2位于融合器主体I的前端且与融合器主体I 一体成型，颈前路固定板2的上下两端还分别设有用于与颈椎固定的固定孔21。
[0045]本发明中融合器主体I可以在植入体内后位于颈椎间隙中，起到稳定、撑开并维持椎间隙高度的作用，而与之一体成型的颈前路固定板2可以将整个自稳型颈椎椎间融合器固定在上下椎体上，防止其向前滑脱或者向后滑动而压迫中枢神经。并且融合器主体I部分采用矿化胶原材料制成，植入体内后材料可被降解吸收，并可引导新骨的生成，最终在椎间实现骨融合。颈前路固定板2采用医用可降解聚合物材料制成，可以在术后自行降解，有效地减轻了患者的不适感，也避免了二次手术取出，并且植入体内后材料可被逐渐分解成乳酸分子，参与到人体的三羧酸循环中，并最终被分解为水和二氧化碳而代谢出体外。此夕卜，由于本发明中采用的医用可降解材料与自体骨弹性模量接近，在临床应用中不会形成应力遮挡，有利于椎间形成骨融合。同时，在手术过程中，也可以通过颈前路固定板2在颈椎前部的位置准确地将融合器主体I定位在椎间隙的中间位置。
[0046]下面对本发明的自稳型颈椎椎间融合器中融合器主体I和颈前路固定板2的具体结构分别进行说明。
[0047]在本发明中，融合器主体I的方位定义为:植入体内后，位于患者颈椎前方与颈前路固定板2相连、朝向食管的面为该融合器主体I的前面，朝向患者椎管的面为该融合器主体I的后面，朝向患者左、右颈总动脉的面分别为该融合器主体I的左侧和右侧，朝向患者颅骨的面为该融合器主体I的上端面，朝向患者胸椎的面为该融合器主体I的下端面。前后面之间的距离为该融合器主体I的长度，左右侧面之间的距离为该融合器主体I的宽度，上端面和下端面之间的距离为该融合器主体I的高度。上端面和下端面中心连线的方向为该融合器主体I的轴向。
[0048]该融合器主体I的尺寸与成年人颈椎椎间隙的尺寸相匹配，其长度为14.0-16.0mm,宽度为12.0-14.0mm,高度为6.0-9.0mm0其中，融合器主体I前部的高度略高于后部，其高度差为Imm以上，且楔形前部的高度和后部的高度均在6.0-9.0mm的数值范围内。优选地，在该融合器主体I的上端面和下端面设有深度为0.3-0.8mm、间距为1.5-2.5mm的齿状结构11。
[0049]在本发明的优选实施例中，该融合器主体I设有穿透上端面和下端面的垂直通孔12。该垂直通孔12大致沿融合器主体I的轴向设置，优选为左右居中并靠近融合器主体I的后端。该垂直通孔12为直径3-6mm的圆柱形或者为边长3_6mm的方形，并且该垂直通孔12的边缘到融合器主体I后端面的距离不小于3_。在本发明的优选实施例中，该融合器主体I还设有穿透左右侧面并与垂直通孔12连通的水平通孔13，该水平通孔13为直径3-4mm的圆柱形。该垂直通孔12和水平通孔13均可用于装填自体骨或其它植骨材料，植入体内后参与新骨的形成，加速椎间融合。现有可降解生物材料制成的椎间融合器由于形状和结构设计上的问题，不能有效地保障其力学性能的稳定性，例如抗弯强度等，而本发明中垂直通孔12和水平通孔13的尺寸和位置设计，有效地保障了融合器主体I的力学强度符合手术的需求。
[0050]颈前路固定板2连接于融合器主体I部分的前端，其方位定义为:植入体内后，朝向患者食管的面为该颈前路固定板2的前面，朝向患者椎管、与融合器主体I的前端相连接的面为该颈前路固定板2的后面，朝向患者左、右颈总动脉的面分别为该颈前路固定板2的左侧和右侧，朝向患者颅骨的部分为该颈前路固定板2的上端，朝向患者胸椎的部分为该颈前路固定板2的下端。前后面之间的距离为该颈前路固定板2的厚度，左右侧之间的距离为该颈前路固定板2的宽度，上下端距离最远的两点之间的距离为该颈前路固定板2的高度。
[0051]该颈前路固定板2的高度为20.0-28.0mm,宽度为8.0-12.0mm,厚度为1.5-3.0mm。在本发明的优选实施例中，该颈前路固定板2的上下两端为圆弧形或方形，并且其上下两端还分别设有一个用于与颈椎固定的固定孔21。在本发明的其它实施例中，每一端也可以分别沿高度方向或者宽度方向设置两个或者以上的固定孔21。这些固定孔21可以在融合器主体I从前至后插入颈椎椎间时通过可吸收螺钉固定在上、下椎体的前部。
[0052]本发明中融合器主体I由采用以下方法制备的矿化胶原材料制成:
[0053]步骤S1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为 5.0 X 10^-5.0X10 VmL ；
[0054]步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01-0.16mol ；
[0055]步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1-2/1 ；
[0056]步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH = 6_8，当pH = 5-6时,混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时,混合体系出现白色悬池液；
[0057]步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置24-120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥至恒重；
[0058]步骤S6、将步骤S5的冷冻干燥产物研磨后过筛，筛选出粒径〈200 μ m的矿化胶原粉体备用。
[0059]本发明中颈前路固定板2可以由以下一种或者多种医用可降解聚合物材料制成:聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)和乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)。这些医用可降解聚合物材料的分子量为50，000-800, 000。
[0060]本发明的自稳型颈椎椎间融合器通过上述结构和材料的设计，可以达到以下降解时间及力学强度。其中，本发明中融合器主体1的降解时间为6-24个月。具体地，融合器主体1植入体内后6-8个月开始降解，并逐渐被机体代谢吸收，完全降解时间为12-18个月。颈前路固定板2的降解时间为3-12个月。具体地，颈前路固定板2于植入体内后3-6个月后开始降解，并逐渐被机体代谢吸收，完全降解时间为6-12个月。就力学强度而言，本发明中融合器主体1沿高度方向即前述轴向的抗压强度为80-140MPa。颈前路固定板2的抗弯强度为40-70MPa。
[0061]人体天然骨组织主要由以胶原为主的有机成分和以羟基磷灰石为主的无机成分构成，其中胶原呈现规则排列的多级结构，并为羟基磷灰石提供了矿化模板，从而形成有序排列的胶原/纳米羟基磷灰石复合体。模仿天然骨的成分及结构制造生物活性骨修复材料，将为修复部位提供与天然骨相似的微环境，有利于骨细胞的贴附、增殖，促进骨缺损的修复。
[0062]矿化胶原(mineralized collagen)材料是基于体外仿生矿化技术,在仿生矿化溶液中利用胶原分子调控钙、磷离子自组装成纳米羟基磷灰石而构建的一种微观结构有序排列的胶原/纳米钙磷盐复合材料。该复合材料具有与人体天然骨组织一致的化学组成和微观结构，具有良好的生物相容性和成骨活性，并可在体内被降解吸收。矿化胶原材料在大量科学研究中被证明具有良好的骨缺损修复作用，材料的降解速率也和新骨的生成相匹配。近年来，国内外已有相关医疗器械企业研发出矿化胶原材料的人工骨产品，并在临床展开应用，获得了良好的骨缺损修复效果。
[0063]使用矿化胶原材料制造自稳型颈椎椎间融合器，并使用医用可降解吸收聚合材料在矿化胶原融合器主体1上通过一体化成型工艺制造颈前路固定板2，将获得一种自稳型可吸收颈椎椎间融合器。该自稳型颈椎椎间融合器能够避免目前临床使用材料和产品的不足，并获得现有金属、聚醚醚酮(PEEK)等生物惰性材料所不具备的体内降解吸收能力和成骨活性，有利于椎间融合的形成；同时颈前路固定板可在患者体内被降解吸收，避免了二次手术取出，减轻了患者痛苦和经济负担。
[0064]图4-图8所示为本实施例自稳型颈椎椎间融合器的制造模具，整套制造模具主要包括用于融合器主体成型的第一模具组件，以及用于颈前路固定板成型的第二模具组件两个部分。其中，图4所示为融合器主体成型时的竖直剖面的示意图，图5所示为图4中A-A处的水平剖视图，图6为颈前路固定板成型时的竖直剖面示意图，图7为图6中移除第二压柱的俯视图，图8为第二压柱的俯视图。下面结合本发明的自稳型颈椎椎间融合器的制造过程，对该制造模具进行详细说明:
[0065](一)按照图4所示组装本发明的用于融合器主体成型的第一模具组件。
[0066]如图所示，第一模具组件包括:第一成型模31、第一套模32、第一压柱33、装料模34、底柱35和底座36。
[0067]底座36用于支撑整个制作模具，并安放在压力机上。
[0068]第一成型模31置于底座36上，并且具有连通的第一型腔311和第一通孔312。第一型腔311的形状与融合器主体I的形状相同且上宽下窄，该第一型腔311位于第一成型模31的上部且贯通其上端面；第一通孔312为截面形状与融合器主体I的后端面相同的柱状通孔，该第一通孔312位于第一成型模31的下部且贯通其下端面，用于容纳底柱35。
[0069]底柱35的截面形状与融合器主体I的后端面的形状一致，即底柱4的截面为一长方形，长为融合器主体I的宽度，宽为融合器主体I后端的高度。
[0070]装料模34置于第一成型模31上，并且具有第二通孔341。该第二通孔341为与融合器主体I的前端面相同的柱状通孔，用于容纳第一压柱33。
[0071]第一压柱33的截面形状与融合器主体I的前端面的形状一致，即第一压柱33的截面为一长方形，长为融合器主体I的宽度，宽为融合器主体I前端的高度。第一压柱33的高度大于装料模34的高度至少5mm，用于后续制造过程中矿化胶原材料的压制成型。
[0072]第一套模32套设在第一成型模31和装料模34交接处的外围用于对齐第一成型模31和装料模34。第一成型模31和装料模34的外径相等且均为圆柱体。第一套模32内部具有圆柱形的竖直通孔，直径与第一成型模31和装料模34的外径相等，高度(h3)不低于第一成型模31的高度Qi1)加上装料模34高度(h2)的一半，即h3 ^ h1+h2/20第一套模32用于对齐模第一成型模31和装料模34，并在后续制造过程中对第一成型模31和装料模34起到加固作用。
[0073]上述第一模具组件组装完成后，第一成型模31和装料模34之间构成用于矿化胶原材料冷压成型形成融合器主体I的封闭的第一型腔311。沿图4的A-A面的剖视图如图5所示，其中装料模34、底座36和第一压柱33不可视。本发明的实施例中第一成型模31采用了 4瓣开模，便于产品脱模。
[0074]( 二)根据待制造的融合器主体的体积计算需要使用的矿化胶原的质量，准确称取粒径〈200 μ m的矿化胶原材料粉末，装入第一成型模31内部的第一型腔311中和装料模34的第二通孔341内。矿化胶原材料粉末装填过程中可以通过压力机手动将粉末压紧，以便于粉末的装填。
[0075](三)完成矿化胶原材料粉末的装填后，将第一压柱33放入装料模34的第二通孔341里，将整套制造模具放入压力机中，向制造模具施加压力，使施加在矿化胶原材料粉末上的压强达到800-1200MPa，保压30-300秒后卸去压力。
[0076](四)取出第一压柱33，卸去第一套模32和装料模34，然后按照图6所示组装本发明的用于颈前路固定板成型的第二模具组件，该第二模具组件是在原有的第一成型模31、底柱35和底座36的基础上还包括了以下组件:第二成型模41、第二套模42、第二压柱43、加热套筒44、加热棒45、第一隔热硅胶片46和第二隔热硅胶片47。
[0077]其中，第二成型模41通过第一隔热娃胶片46置于第一成型模31上,且具有第三通孔412，该第三通孔412为截面形状与颈前路固定板2的前端面相同的竖直的柱状通孔，用于容纳第二压柱43。第二成型模41的外形为圆柱形，外径与第一成型模31相等。
[0078]第二压柱43的截面形状与颈前路固定板2的前端面的形状一致，即第二压柱43的截面为一长方形，长为颈前路固定板2的高度，宽为颈前路固定板2的宽度。第二压柱43用于后续制造过程中颈前路固定板2的压制，当第二压柱43被完全压入第二成型模41中以后，其底部与第二成型模41和第一成型模31共同构成了与颈前路固定板形状相匹配的封闭的第二型腔411。该第二压柱43的中心还有直径0.5-1.0mm的细通孔431，第二压柱43的上表面还有一道从圆心通往其边缘的宽度为0.5-1.0mm、深度为0.5-1.0mm的槽432，其中，细通孔431的直径和槽432的宽度相同，槽432的深度不小于其宽度，细通孔431和槽432在第二压柱4的上表面圆心处连接，构成了安装热电偶的通道。第二压柱43的俯视图如图8所示。
[0079]第二套模42套设在第一成型模31和第二成型模41交接处的外围，用于对齐第一成型模31和第二成型模41。第二套模42内部具有圆柱形的竖直通孔，直径与第一成型模31和装料模34的外径相等，高度低于前述第一套模323，比第一成型模31高2_5mm。
[0080]加热套筒44套设在第二成型模41外围并通过第二隔热硅胶片13置于第二套模42上。加热棒45设置在加热套筒10中，优选安装3-8个加热棒45，加热棒45在加热套筒44上对称分布，后续制造过程中加热棒45的热量通过加热套筒44传递到第二成型模41上，再传递到制造颈前路固定板2的医用可降解聚合物材料上，使材料熔融并与融合器主体1结合在一起。
[0081]第一隔热硅胶片46和第二隔热硅胶片47，分别放置在第一成型模31与第二成型模41之间，和第二套模42与加热套筒44之间，阻隔加热棒45的热量向第二套模42和通过第二成型模41向第一成型模31传递，以免高温对第一成型模31内部的矿化胶原材料的活性产生影响。
[0082]上述第二模具组件组装完成后，第二成型模41和具有融合器主体1的第一成型模31之间构成用于医用可降解聚合物材料熔融成型形成颈前路固定板2的封闭的第二型腔411。组装完成后的俯视图如图7所示，其中未示出底座36、第二套模42、第二压柱43、第一隔热硅胶片46和第二隔热硅胶片47。本发明的实施例在加热套筒44上安装了 4个加热棒45。
[0083](五)根据待制造的颈前路固定板的尺寸，准确称量粒径〈200μ m的医用可降解聚合物材料粉末，装入第二成型模41的第三通孔412中，并平铺均匀。该医用可降解聚合物材料包括聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)、乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)，分子量为50，000-800，000。
[0084](六)完成医用可降解聚合物材料粉末的装填后，将直径与第二压柱43上热电偶通道的宽度和直径相匹配的热电偶沿槽432和细通孔431伸到第二压柱43的下表面，然后第二压柱43放入第二成型模41的第三通孔412中，将整套制造模具放入压力机中，手动向制造模具施加压力，使医用可降解聚合物材料粉末被压紧。其中，热电偶的直径与第二压柱43上细通孔431的直径差不超过0.2mm。
[0085](七)对加热棒45通电，升温速率>40°C/min,当热电偶所反馈的温度达到所装填医用可降解聚合物材料的熔点时，立即断开加热棒45的电源，并将加热套筒44取下，待模具剩余部分自然冷却。所述加热套筒44被取下后，可以向模具剩余部分喷洒水或者酒精，以便加速冷却。所装填医用可降解聚合物材料的熔点，典型地，PLA的熔点为160-180°C，PGA的熔点为225-230°C。然而，PLGA的熔点受乳酸/羟基乙酸比例及共聚类型的影响很大，例如，根据羟基乙酸在PLGA中的百分含量不同(0-22.6% )，PLGA的熔点范围可在80-156°C的较大范围内变化。因此，如果使用PLGA制造本发明的颈前路固定板，加工前应准确测量其熔点。
[0086](八)待制造模具冷却到室温后，将产品脱模，进行切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，得到本发明的自稳型可吸收矿化胶原颈椎椎间融合器。
[0087]因此，本发明相应地提供了一种自稳型颈椎椎间融合器的制造方法，包括以下步骤:
[0088]首先，在制造模具中使用粉末状的矿化胶原材料进行融合器主体的冷压成型，并在800-1200MPa压力的条件下进行30-300秒保压；
[0089]其次，在前述成型的融合器主体的基础上填充医用可降解聚合物材料，并以不低于40°C /min的升温速率加热至医用可降解聚合物材料的熔点，进行颈前路固定板的熔融成型；
[0090]最后，待模具冷却至室温，取出成型的物，进行后处理获得自稳型颈椎椎间融合器。该后处理包括切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等步骤。
[0091]该制造方法采用一体化成型加工工艺，在一定的静压力和加工温度作用下，使用不同材料在特定模具中制造出该自稳型可吸收的自稳型颈椎椎间融合器。
[0092]综上所述，本发明的自稳型颈椎椎间融合器具有以下优点:
[0093]1.一体化的自稳型颈椎椎间融合器在颈前路椎间融合手术中无需植入椎间融合器后再植入颈前路固定装置，大大简化了手术操作；
[0094]2.颈前路固定板2在植入一定时间后可降解并被机体代谢吸收，无需通过二次手术取出，减轻了患者的痛苦，降低了医疗成本；
[0095]3.融合器主体I的材料是具有良好生物相容性和成骨活性的矿化胶原材料，可随着患者自体骨的生长和爬行替代而逐步被降解，并最终被机体代谢吸收，椎间隙里完全是患者自身的骨组织，没有异物留存，从而达到理想的椎间融合效果；
[0096]4.连接为一体的融合器主体I和颈前路固定板2在手术植入中不会产生定位不准确的问题，颈前路固定板可保证严格位于融合器主体的正前方，同时可保证融合器主体的植入深度恰到好处；
[0097]5.具有同样或近似材料组成的融合器主体I部分和颈前路固定板2部分具有相似的弹性模量，避免了使用弹性模量过高的颈前路钛板/不锈钢板而带来的应力遮挡问题；
[0098]6.一体化的自稳型颈椎椎间融合器植入体内后，颈前路固定板2通过螺钉固定在上下椎体上，不仅可以防止融合器主体I向前脱出，还可以有效防止融合器主体I向后滑动而压迫中枢神经，传统的颈前路钛板/不锈钢板则不具备这样的功能；
[0099]7.本发明通过一体化成型加工工艺获得一体化的自稳型颈椎椎间融合器，其中融合器主体I通过高压在室温下进行冷压成型，矿化胶原材料的活性得到良好保持；颈前路固定板2在高温成型时，加热棒产生的热量通过模具传递到压紧的医用可降解聚合物材料粉末上，使得粉末熔融并很容易地结合在一起；同时通过控制加热时间，使得通过连接部位传递到融合器主体上的热量有限，对融合器主体I的矿化胶原材料活性基本不产生影响；
[0100]8.本发明的加工模具采用分体结构设计，针对不同融合器主体和颈前路固定板的组合，只需在融合器主体I冷压成型的基础上采用不同的第二模具组件进行颈前路固定板2的熔融成型，方便了产品的制作加工，提高了生产效率，降低了生产成本。
[0101]实施例1
[0102]融合器主体1为矿化胶原材料制造；融合器主体1的尺寸为长14.0mm,宽12.5mm,前端高度为7.0mm,后端高度为6.0mm ;融合器主体1的上下端面具有深度为0.35mm、间距为2.0mm的齿状结构；融合器主体1的左右居中靠近后面具有直径4.6mm的圆柱形垂直通孔12，垂直通孔12的圆心到融合器主体1后端面的距离为6.3mm。制造过程中，需准确称量1.93g(精确到0.0lg)矿化胶原粉末，装入第一成型模31内，在lOOOMPa压强下保压90秒，进行融合器主体的冷压成型。经测试，本实施例的融合器主体1的材料密度为1.70g/cm3，沿轴向的抗压强度为108.4MPa。
[0103]颈前路固定板2为纯外消旋聚乳酸(PDLLA，分子量为30万)材料熔融成型制造；颈前路固定板2的上下两端均为圆弧形，上端和下端均设有1个固定孔；颈前路固定板2的高度为22.0mm，宽度为9.0mm，厚度为1.8mm。制造过程中，需准确称量0.48g(精确到0.01g)PDLLA，装入第二成型模41内，以45°C /min的升温速率快速升温，当热电偶指示达到170°C时立即停止加热，并取下加热套筒44，待模具自然冷却到室温后，将产品脱模，进行切肖IJ、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，得到本发明的自稳型可吸收矿化胶原颈椎椎间融合器。经测试，本实施例的颈前路固定板2的材料密度为1.34g/cm3，抗弯强度为56.9MPa。
[0104]将本实施例的自稳型颈椎椎间融合器植入健康山羊的颈3/4椎间隙，用聚乳酸螺钉进行固定。术后正常饲养，观察自稳型颈椎椎间融合器的降解和手术部位的骨融合效果。结果表明:颈前路固定板2于3个月时开始降解，7个月时完全降解；融合器主体1于7个月时开始降解，15个月时完全降解；椎间隙高度保持良好，材料随着自体骨的生长逐渐降解；15个月后，椎间隙完全是自体骨组织，达到理想的椎间融合。
[0105]实施例2
[0106]融合器主体1为矿化胶原材料制造；融合器主体1的尺寸为长15.0mm,宽12.0mm,前端高度为8.0mm,后端高度为7.0mm ;融合器主体1的上下端面具有深度为0.5mm、间距为2.0mm的齿状结构；融合器主体1的左右居中靠近后面具有边长5.5mm的正方形垂直通孔12，垂直通孔12的中心到融合器主体1后端面的距离为7.0_。制造过程中，需准确称量
2.27g(精确到0.0lg)矿化胶原粉末，装入第一成型模31内，在900MPa压强下保压120秒，进行融合器主体的冷压成型。经测试，本实施例的融合器主体1的材料密度为1.69g/cm3，沿轴向的抗压强度为102.5MPa。
[0107]颈前路固定板2为纯左旋聚乳酸(PLLA，分子量为20万)材料熔融成型制造；颈前路固定板2的上下两端均为方形，上端和下端均设有沿宽度方向并排的2个固定孔；颈前路固定板2的高度为24.0mm，宽度为12.0mm，厚度为2.0mm。制造过程中，需准确称量
0.76g(精确到0.0lg) PLLA，装入第二成型模41内，以42°C /min的升温速率快速升温，当热电偶指示达到170°C时立即停止加热，并取下加热套筒44，待模具自然冷却到室温后，将产品脱模，进行切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，得到本发明的自稳型可吸收矿化胶原颈椎椎间融合器。经测试，本实施例的颈前路固定板2的材料密度为
1.32g/cm3,抗弯强度为 60.8MPa。
[0108]将本实施例的自稳型颈椎椎间融合器植入健康山羊的颈3/4椎间隙，用聚乳酸螺钉进行固定。术后正常饲养，观察自稳型颈椎椎间融合器的降解和手术部位的骨融合效果。结果表明:颈前路固定板2于4个月时开始降解，10个月时完全降解；融合器主体1于6.5个月时开始降解，14个月时完全降解；椎间隙高度保持良好，材料随着自体骨的生长逐渐降解；14个月后，椎间隙完全是自体骨组织，达到理想的椎间融合。
[0109]实施例3
[0110]融合器主体1为矿化胶原材料制造；融合器主体1的尺寸为长16.0mm,宽14.0mm,前端高度为9.0mm,后端高度为7.5mm ;融合器主体1的上下端面具有深度为0.6mm、间距为
2.2mm的齿状结构；融合器主体1的左右居中靠近后面具有直径6.0mm的圆柱形垂直通孔12，垂直通孔12的圆心到融合器主体1后端面的距离为8.0_。制造过程中，需准确称量
3.18g(精确到0.0lg)矿化胶原粉末，装入第一成型模31内，在llOOMPa压强下保压80秒，进行融合器主体的冷压成型。经测试，本实施例的融合器主体1的材料密度为1.72g/cm3,沿轴向的抗压强度为116.0MPa。
[0111]颈前路固定板2为PLGA(LA/GA = 95/5，分子量为25万)材料熔融成型制造；颈前路固定板2的上下两端均为方形，上端和下端均设有沿宽度方向并排的2个固定孔；颈前路固定板2的高度为26.0mm，宽度为12.0mm，厚度为2.2mm。制造过程中，需准确称量
0.92g(精确到0.01g)PLGA，装入第二成型模41内，以45°C /min的升温速率快速升温，当热电偶指示达到140°C时立即停止加热，并取下加热套筒44，待模具自然冷却到室温后，将产品脱模，进行切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，得到本发明的自稳型可吸收矿化胶原颈椎椎间融合器。经测试，本实施例的颈前路固定板2材料密度为
1.34g/cm3,抗弯强度为 55.2MPa。
[0112]将本实施例的自稳型颈椎椎间融合器植入健康山羊的颈3/4椎间隙，用聚乳酸螺钉进行固定。术后正常饲养，观察自稳型颈椎椎间融合器的降解和手术部位的骨融合效果。结果表明:颈前路固定板2于3个月时开始降解，8个月时完全降解；融合器主体1于7个月时开始降解，16.5个月时完全降解；椎间隙高度保持良好，材料随着自体骨的生长逐渐降解；16.5个月后，椎间隙完全是自体骨组织，达到理想的椎间融合。
[0113]实施例4
[0114]该实施例用于制备一批自稳型颈椎椎间融合器。其中，以矿化胶原为融合器主体1的材料，以聚乳酸为颈前路固定板2的材料，制造36个符合以下参数范围的尺寸略有不同的自稳型颈椎椎间融合器。
[0115]融合器主体1为矿化胶原制造；融合器主体1的尺寸为长14.0-16.0mm,宽12.5-13.5mm,高6.0-8.0mm ;融合器主体1的上下端面具有深度为0.35mm、间距为2.0mm的齿状结构；融合器主体1的左右居中靠近后面具有直径4.6-5.2mm的圆柱形垂直通孔21，垂直通孔21的圆心到融合器主体1后端面的距离为6.3-6.6mm。融合器主体1的制造过程中，按照所设计融合器主体1的尺寸计算矿化胶原(密度按1.70g/cm3计算)用量，并准确称量矿化胶原粉末(精确到0.0lg)，装入第一成型模31内，在lOOOMPa压强下保压90秒，进行融合器主体的冷压成型。经测试，本实施例的融合器主体1材料沿轴向的抗压强度为107.8 ±3.4MPa。
[0116]颈前路固定板2为纯TOLLA(分子量为35万)材料制造；颈前路固定板2的上下两端均为圆弧形，上端和下端均有1个固定孔；颈前路固定板2的高度为22.0-26.0mm,宽度为9.0mm,厚度为1.8_。颈前路固定板2的制造过程中，按照所设计颈前路固定板2的尺寸计算TOLLA (密度按1.34g/cm3计算)用量，并准确称量TOLLA (精确到0.0lg)，装入第二成型模41内，以45°C /min的升温速率快速升温，当热电偶指示达到170°C时立即停止加热，并取下加热套筒44，待模具自然冷却到室温后，将产品脱模，进行切削、表面齿状结构的加工、钻孔、倒角、表面清洗等后处理，得到本发明的自稳型可吸收矿化胶原颈椎椎间融合器。经测试，本实施例的颈前路固定板2材料抗弯强度为54.4±3.1MPa0
[0117]将本实施例的自稳型颈椎椎间融合器分别植入36只健康山羊(雌雄各18只，年龄2-3岁，平均2.5岁)的颈3/4椎间隙，用聚乳酸螺钉进行固定。术后正常饲养，观察椎间融合器的降解和手术部位的骨融合效果。
[0118]观察持续2年，期间没有羊死亡或出现与植入的自稳型颈椎椎间融合器相关的疾病，所有羊均健康存活到观察期结束。所有羊体内植入的椎间融合器均未出现向前或者向后的滑脱。椎间隙高度相对于植入椎间融合器前没有明显变化。术后6个月、12个月和24个月的融合率分别为57%、88%和98%。颈前路固定板2的降解开始于术后3.1 ±0.1个月，完全降解时间为术后7.0±0.4个月；融合器主体I的降解开始于术后7.1 ±0.2个月，完全降解时间为术后15.0±0.9个月。所有羊体内的自稳型颈椎椎间融合器均完全降解。
[0119]本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。
【权利要求】
1.一种自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，包括由矿化胶原材料制成的融合器主体以及由医用可降解聚合物材料制成的颈前路固定板，所述融合器主体呈前高后低的楔形，所述颈前路固定板位于所述融合器主体前端且与所述融合器主体一体成型，所述颈前路固定板上下两端还分别设有用于与颈椎固定的固定孔。
2.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述融合器主体长度为14.0-16.0mm,宽度为12.0-14.0mm,高度为6.0-9.0mm ;且所述融合器主体前端与后端的高度差为Imm以上；所述融合器主体的上端面和下端面设有深度为0.3-0.8mm、间距为1.5-2.5mm的齿状结构。
3.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述融合器主体设有穿透所述上端面和下端面的垂直通孔；所述垂直通孔为直径3-6mm的圆柱形或者为边长3-6mm的方形；并且所述垂直通孔边缘到所述融合器主体后端面的距离不小于3mm ;所述融合器主体还设有穿透左右侧面并与所述垂直通孔连通的水平通孔；所述水平通孔为直径3-4mm的圆柱形。
4.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述颈前路固定板的高度为20.0-28.0mm,宽度为8.0-12.0mm,厚度为1.5-3.0mm ;所述颈前路固定板的上下两端为圆弧形或方形。
5.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述融合器主体沿高度方向的抗压强度为70-120MPa ;所述颈前路固定板的抗弯强度为40_70MPa。
6.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述融合器主体的降解时间为6-18个月，所述颈前路固定板的降解时间为3-12个月。
7.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述融合器主体由采用以下方法制备的矿化胶原材料制成: 步骤S1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为 5.0X 1(Γ5-5.0 X l(T3g/mL ； 步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01-0.16mol ； 步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1-2/1 ； 步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH = 6-8,当pH=5-6时,混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时,混合体系出现白色悬池液； 步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置24-120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥至恒重； 步骤S6、将步骤S5的冷冻干燥产物研磨后过筛，筛选出粒径〈200 μ m的矿化胶原粉体备用。
8.根据权利要求1所述的自稳型颈椎椎间融合器，其特征在于，所述颈前路固定板由以下一种或者多种医用可降解聚合物材料制成:聚乳酸、聚羟基乙酸和乳酸-羟基乙酸共聚物；所述医用可降解聚合物材料的分子量为50，000-800, 000。
9.一种根据权利要求1-8中任意一项所述的颈椎锥间融合器的制造模具，其特征在于，包括用于融合器主体成型的第一模具组件，以及用于颈前路固定板成型的第二模具组 件； 其中，所述第一模具组件包括:第一成型模、第一套模、第一压柱、装料模、底柱和底座；所述第一成型模置于所述底座上且下部容纳有截面形状与所述融合器主体的后端面相同的底柱，所述装料模置于所述第一成型模上且上部容纳有截面形状与所述融合器主体的前端面相同的第一压柱，所述第一套模套设在所述第一成型模和装料模交接处的外围用于对齐所述第一成型模和装料模；所述第一成型模和装料模之间构成用于所述矿化胶原材料冷压成型形成融合器主体的封闭的第一型腔； 所述第二模具组件包括:第二成型模、第二套模、第二压柱、加热套筒、加热棒、第一隔热硅胶片和第二隔热硅胶片；所述第二成型模通过所述第一隔热硅胶片置于所述第一成型模上，且上部容纳有截面形状与颈前路固定板的前端面相同的第二压柱，所述第二套模套设在所述第一成型模和第二成型模交接处的外围，用于对齐所述第一成型模和第二成型模；所述加热套筒套设在所述第二成型模外围并通过第二隔热硅胶片置于所述第二套模上；所述加热棒设置在所述加热套筒中；所述第二成型模和具有融合器主体的第一成型模之间构成用于医用可降解聚合物材料熔融成型形成颈前路固定板的封闭的第二型腔。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的自稳型颈椎椎间融合器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 在制造模具中使用粉末状的矿化胶原材料进行融合器主体的冷压成型，并在800-1200MPa压力的条件下进行30-300秒保压； 在成型的融合器主体的基础上填充医用可降解聚合物材料，并以不低于40°C /min的升温速率加热至医用可降解聚合物材料的熔点，进行颈前路固定板的熔融成型； 待制造模具冷却至室温，取出成型物进行后处理，获得自稳型颈椎椎间融合器。
【文档编号】A61B17/70GK104367402SQ201410637946
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】刘先哲, 杨述华, 崔福斋, 许伟华, 王晶, 仇志烨, 张自强 申请人:杨述华, 崔福斋