专利名称：表面具有孔洞的骨科用植入物及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗技术领域中的一种表面具有孔洞的骨科用植入物及使骨科用植入物表面具有复式孔洞结构的制法。
骨科用植入物表面具有孔口约为10至500微米的多孔结构，可以促进骨组织长入该多孔结构中，使骨科用植入物和骨组织结成一体。因此，使骨科用植入物表面形成多孔结构为一重要技术。已知的方法有电浆喷涂法(plasma spray process)、烧结法(sintering process)和扩散键结法(diffusion bonding process)。但电浆喷涂法经常形成对外不连通的中空孔，例如
图1标示的A、B二孔，使骨组织无法长入，反而是构成边界(骨科用植入物多孔结构和骨组织的界面)断裂的主要原因。烧结法除了会形成上述对外不连通的中空孔外，还会造成疲乏强度(fatigue strength)变差的缺点。因此电浆喷涂法、烧结法(无论是烧结珠-sintered beads或烧结纤维状金属-sintered fibre metal)均被认为不能用于骨科用植入物的主体结构(参考资料1:Friedman RJ,Black J,Galante JO,Jacobs JJ,Skinner HB:Current concepts inorthopaedic biomaterials and implant fixation.J Bone JointSurg 75A:1086-1109,1993)。至于扩散键结法，例如利用蒸汽淀积技术(vapor deposition techniques)制成的多孔钽结构(poroustantalum structure)，虽能得到较佳的多层孔洞结构，免除上述“对外不连通孔洞”的中空孔所造成的缺点(参考资料2:Bobyn JD,TanzerM,Miller JE:Fundamental principles of biologic fixation.InMorrey BF(ed):Reconstructive Surgery of the Joints.Churchill Livingstone,1996,pp75-94)，但该结构的抗挠强度(bending strength)较差，因此，易因挠曲力(bending force)造成结构变形甚至破坏。此外，使用相同方法，无法制成多孔钛结构(poroustitanum structure)，而且该方法的制成品成本昂贵，不易被该行业所接受。
本发明的目的在于提供一种具有多孔结构表面的骨科用植入物。
本发明的另一目的在于提供一种具有复式孔洞结构表面的骨科用植入物。
本发明的又一目的在于提供一种具有复式孔洞结构表面，且孔洞孔口大小为10至800微米的骨科用植入物。
本发明的再一目的在于提供一种制造表面具有孔洞的骨科用植入物的制法。
本发明的实施方案如下本发明提供的表面具有孔洞的骨科用植入物，包括表面至少部分具有多孔结构，其特征在于该多孔结构至少部分为复式孔洞结构，且该复式孔洞结构至少部分孔洞的孔口大小为10至800微米，以50至600微米为佳，以100至500微米为更佳；所述的复式孔洞结构的孔洞至少30％以上为高阶孔洞，且这些高阶孔洞的孔口大小10至500微米；所述的复式孔洞结构至少50％以上的孔洞为高阶孔洞，且一阶孔洞的孔口大小为50至600微米，而高阶孔洞的高阶孔口大小为50至400微米；所述的高阶孔洞的高阶孔口大小为50至300微米，而一阶孔洞的孔口大小为100至500微米。
本发明提供的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，包括使骨科用植入物至少部分表面具有复数个初始孔洞，使该骨科用植入物上的初始孔洞形成孔口大小为10至800微米的复式孔洞结构，其特征在于形成复式孔洞结构的方法为利用中电流密度孔蚀法；所述的初始孔洞为0.5至100微米，以1至50微米为佳；使骨科用植入物表面形成初始孔洞方法为高电流密度电解法；所述高电流密度电解法的电流密度为0.2A/cm2以上，电解时间为30秒至5分钟；所述的高电流密度电解法的电解溶液含2至5wt％NaCl，且电流密度为0.3A/cm2以上，而电解时间为1至3分钟。
所述中电流密度电解法的电流密度为0.1至0.8A/cm2，电解时间为3至30分钟；所述的中电流密度电解法的电流密度为0.2至0.7A/cm2，电解时间为5至20分；本发明系利用大电流密度及/或中电流密度的电化学技术，在金属表面上形成复式孔洞结构，由于不具有″对外不连通″的中空孔，而且所有孔洞外围的金属均为金属本体(substrate)的一部分，因此，没有边界断裂，疲乏强差及/或抗挠强度差等问题。
下面结合附图及实施例进一步描述本发明图1为已有技术的电浆喷涂法所制成的髋关节植入物(hip stem)的光学显微镜照片。
图2至图5及图6A至图15A均为依本发明方法所制成的骨科植入物的SEM图。
图6B至图15B为依本发明方法所制成的骨科植入物的光学显微镜图。
图3B为图3A的标示图。
由图可知，本发明的表面具有孔洞的骨科用植入物，其表面至少部分具有多孔结构，其特征在于该多孔结构至少部分为复式孔洞结构，且该复式孔洞结构至少部分孔洞的孔口大小为l0至800微米。
上述所谓骨科用植入物，包括所有骨科手术所使用的植入物，诸如关节用植入物，例如髋关节(hip stem)；脊椎手术用植入物，例如骨钉(screw)、固定杆(fixation rod)、固定(hook)、椎间融合装置(cage)等。其材质可为任意公知的生物相容性金属材料，诸如单一金属、合金或金属或非金属上涂覆一层金属层(单一金属层或合金层)或多层金属层。
上述骨科用植入物至少部分表面—例如欲使骨组织内长(boneingrowth)的表面具有复式孔洞结构，即植入物可以是部分表面具有复式孔洞结构，部分表面不具有复式孔洞结构，也可以是植入物全部表面均具有复式孔洞结构。当然不具有复式孔洞结构的部分植入物表面也可全部或部分具有传统的多孔结构，或不具有传统的多孔结构。
上述复式孔洞结构是指至少部分孔洞具有孔洞中再长孔洞的二层次多孔结构，及/或二层次多孔结构中的第二阶孔洞(孔洞中的孔洞)再长孔洞的三层次多孔结构，及/或三层次多孔结构中的第三阶孔洞(第一阶孔洞中的第二阶孔洞再长出的孔洞)再长孔洞的四层次多孔结构，甚至具有更高阶(例如第五阶、第六阶....)孔洞的更高层次(例如五层次、六层次...)多孔结构。其中二层次多孔结构的一阶孔洞内，可具有一个或复数个二阶孔洞；三层次多孔结构内，可具有一个或复数个三阶孔洞，当然也可能具有零或一个或复数个二阶孔洞；四层次多孔结构内，可具有一个或复数个四阶孔洞，零或一个或复数个三阶孔洞，零或一个或复数个二阶孔洞，依此类推。
上述孔洞，其形状无特殊限制，可为规则的几何形状，例如圆柱或类圆柱状，或无规形状。
孔口是指一阶孔洞朝外(离基材的方向)开口，即一阶孔口，若该开口为圆形或类圆形，则孔口大小指圆的直径，若为无规形状，则指其最大距离和最小距离的平均值。同理，二阶孔洞的孔口，称为二阶孔口，三阶孔洞的孔口称为三阶孔口，依此类推。而二阶孔口，三阶孔口....，分别指二阶孔洞，三阶孔洞....，朝向一阶孔洞、二阶孔洞....，的开口。所谓孔口是指一阶孔口，而高阶孔口是指二阶孔口，三阶孔口....等高阶孔洞的孔口，而不含一阶孔口。
上述复式孔洞结构至少部分孔口的大小，以为10至800微米为较佳，以50至600微米为更佳，以100至500微米为最佳。
上述复式孔洞结构的高阶(二阶、三阶、四阶...)孔洞，至少部分高阶孔口的大小为10至500微米，以50至400微米为较佳，以50至300微米为更佳。
上述复式孔洞结构中孔口大小为10至800微米的孔洞数，以占全部一阶孔洞总数的30％以上为较佳，以50％以上为较佳，以80％以上为最佳。
上述复式孔洞结构中的高阶孔口大小为10至500微米的孔洞数，以占全部高阶孔洞总数的20％以上为较佳，以占40％以上为更佳，以占70％以上为最佳。
上述复式孔洞结构的孔洞，其中非高层次多孔结构(即该孔洞中不含任何高阶孔洞)的孔洞总数，低于全部一阶孔洞数(含非高层次多孔结构的一阶孔洞数和高层次多孔结构的一阶孔洞数)的70％，以不高于50％为较佳，以不高于40％为更佳。
当然上述孔洞，无论其为一阶孔洞或高阶孔洞，均可能互相重叠，例如，或多个一阶孔洞部分重叠，而于重叠处形成二阶孔洞，或一阶孔洞内二个或多个二阶孔洞重叠，甚至重叠处又形成三阶孔洞。
控制部分表面形成复式孔洞结构的方法，可采用任意已知的方法，例如在不想形成复式孔洞结构的表面上，覆以一层抗孔蚀物料，或大幅减缓孔蚀速度的物料，例如覆以一层聚四氟乙烯止泄带或涂佈涂料，于孔蚀后，再去除该聚四氟乙烯止泄带或涂料。
本发明的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，包括使骨科用植入物至少部分表面具有复数个初始孔洞使该骨科用植入物上的初始孔洞形成孔口大小为10至800微米的复式孔洞结构；其特征在于形成复式孔洞结构的方法，为利用中电流密度孔蚀法。
上述骨科用植入物、复式孔洞结构、孔口及孔口大小等的定义均如上所述。
上述使骨科用植入物具有孔洞的方法，可为任意已知的方法，例如激光钻孔、高压水钻钻孔、化学孔蚀等方法，或下述的电化学孔蚀法。其中初始孔洞(initial cavities)为一阶孔洞，其孔口大小为0.2至500微米，以0.5至200微米为较佳，以l至100微米为更佳。当然初始孔洞中可含一个或复数个高阶孔洞。
上述使骨科用植入物具有初始孔洞的方法，以采用电化学孔蚀法为较佳，以采用高电流密度孔蚀法为更佳。所谓高电流密度孔蚀法为将骨科用植入物浸于电解溶液中，以不低于0.2安培/平方公分(A/cm2)的电流密度下，进行电解，电解方式可采用任意公知方式，例如三电极式定电压(potentiostat)电解法、二电极式控制电压电解法—即控制其供应电压(applied potential)的电解法、脉冲式(pulse)电压电解法、或定电流(galvanostat)电解法等。
上述所谓电解溶液，可为含适当供应电解质(supportingelectrolyte)的溶液，但以含具有孔蚀效果的电解质的溶液为较佳，所谓具有孔蚀效果的电解质可为任意公知的孔蚀电解质，诸如氯化物(例如HCl、NaCl)、氟化物(例如NaF、HF)等，以使用氯化钠为较佳。以采用含l至8wt％的氯化钠溶液为更佳，以2至5wt％为较佳。
上述高电流密度电解法的电解条件，例如电解质浓度、电解温度、电解时间、电解电压(采用三电极式定电位电解法时，其参考电压为参考电极(reference electrode)和工作电极(working electrode)间的电压，采用二电极式控制电压电解法时，是指供应电压，即阳极(anode)和阴极(cathode)间电压等，均随所欲电解的骨科用植入物材质不同而变，但均以能达到至少0.2A/cm2的电流密度为目标，以0.3A/cm2以上为更佳，以0.5A/cm2以上为最佳。
一般而言，为能达到0.2A/cm2以上的电流密度，电解溶液的导电度宜大于10S，以不低于20S为较佳，而各种不同电解质浓度和电导度的关，可由一般化学/化工手册查得。
为使高电流密度电解容易，电解溶液温度(可视为电解温度)不宜太低，一般而言，温度高时，对高电流密度电解法有利，但为避免反应过份剧烈，溶液温度以不超过80℃为较佳。以当时环境温度(ambienttemperature)至60℃为更佳，以环境温度至50°为最佳。
高电流密度电解时间以能使初始孔洞的孔口大小大部分介于0.1至500微米之间为原则，一般而言，电解时间以30秒至5分钟为较佳，以1至4分钟为更佳，以1至3分钟最佳。
上述中电流密度孔蚀法类同前述高电流密度孔蚀法。但其电流密度则为0.05A/cm2至1A/cm2，以0.1至0.8A/cm2为较佳，以0.2至0.7A/cm2为更佳。而电解时间则以3至30分钟为较佳，以5至20分钟为更佳。
当使骨科用植入物具有初始孔洞的方法为采用高电流密度孔蚀法时，后续的中电流密度孔蚀步骤，可采用和高电流密度孔蚀步骤相同或不同的电解法(例如前者使用定电流电解法，后者使用二电极式控制电压电解法)，相同或不同的电解溶液，相同或不同的电解温度，相同或不同的电解时间。但为简化制造流程，两者以采用相同的电解法(例如均采用定电流电解法)为较佳，而中电流密度电解步骤的电解溶液和电解温度以沿用高电流密度电解步骤的电解溶液和电解温度为较佳。当然，若高电流密度电解步骤后的温度过高时，可予以冷却或待其冷却至适当温度(以不高于80℃为较佳，以环境温度至60℃为更佳，以环境温度至50℃为最佳)，再执行中电流密度步骤。
实施例1
在3.5wt％NaCl电解液中，于室温下，以2.0安培的电流，定电流电解椎间融合体(cage)2分钟，其中该椎间融合体外形近似长方体，电解表面积约为3.5cm2。而后，改以1.0安培的电流，于原电解液中，定电流电解5分钟，结果如图2及图3A所示。由图2可明确看出，该椎间融合体确具有复式孔洞结构。对照图3A和图3B，P1、P2、P3、P4、P5、P6均为一阶孔洞，其孔口大小分别约为450μm、500μm、320μm、350μm、320μm、800μm；P11、P21、P51分别为一阶孔洞P1、P2和P5的二阶孔洞，其孔口大小分别约为225μm、270μm、150μm；P31为一阶孔洞P3、P4和P5的共同二阶孔洞，其孔口大小约为150μm；P61、P62、P63、P64和P65均为一阶孔洞P6的二阶孔洞，其孔口大小分别约为225μm、225μm、180μm、225μm和270μm；P651为二阶孔洞P65的三阶孔洞，其孔口大小约为200μm；P6511、P6512、P6513均为三阶孔洞P651的四阶孔洞，其孔口大小分别为100μm、100μm和90μm。
实施例2类同实施例1所述方法，二步骤定电流电解固定杆(fixationrod)，其中电流密度和电解时间分别为0.65A/cm2(30秒)和0.20A/cm2(6分钟)。
结果如图4，图5所示。图4为以和固定杆中心轴互相垂直的方向所拍摄的SEM图，图中显示该固定杆表面确具有复式孔洞结构，而图5则为固定杆表面的SEM图，显示其孔洞分布和大小均属均匀，一阶孔洞间的重叠情形不严重。
实施例3-12在3.5wt％NaCl电解液中，于室温下，分别以2.0安培的电流，定电流电解固定杆1分钟。而后，在原电解液中，依表1所示条件，定电流电解该固定杆，其中固定杆表面积为3.14cm2。
其结果如图6A至图15A及图6B至图15B所示，其中图6A至15A显示固定杆的SEM图，而图6B至15B为固定杆的表面光学显微镜图。实施例3至12的结果列表于表1。
表1
×不佳，△可，○佳，⊙极佳。
上述实施例中，扫瞄式电子显微镜(SEM)采用日本Hitachi公司产品S-4100，操作条件为23℃,10-9torr，至于加速电压和放大倍率均标示于SEM图片上。
电解时，工作电极为阳极，其材质均为钛。对电极(couterelectrode)为阴极，阴极采用316不锈钢，且对电极表面积大于工作电极的电解面积
权利要求
1．一种表面具有孔洞的骨科用植入物，包括表面至少部分具有多孔结构，其特征在于该多孔结构至少部分为复式孔洞结构，且该复式孔洞结构至少部分孔洞的孔口大小为10至800微米。
2．按权利要求1所述的表面具有孔洞的骨科用植入物，其特征在于所述的复式孔洞结构的孔洞至少30％以上为高阶孔洞，且这些高阶孔洞的孔口大小10至500微米。
3．按权利要求1或2所述的表面具有孔洞的骨科用植入物，其特征在于所述的复式孔洞结构至少50％以上的孔洞为高阶孔洞，且一阶孔洞的孔口大小为50至600微米，而高阶孔洞的高阶孔口大小为50至400微米。
4．按权利要求2所述的表面具有孔洞的骨科植入物，其特征在于所述的高阶孔洞的高阶孔口大小为50至300微米，而一阶孔洞的孔口大小为100至500微米。
5．一种表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，包括使骨科用植入物至少部分表面具有复数个初始孔洞，使该骨科用植入物上的初始孔洞形成孔口大小为10至800微米的复式孔洞结构，其特征在于形成复式孔洞结构的方法为利用中电流密度孔蚀法。
6．按权利要求5所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的初始孔洞为0.5至100微米。
7．按权利要求6所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的初始孔洞为1至50微米。
8．按权利要求5、6或7所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于使骨科用植入物表面形成初始孔洞方法为高电流密度电解法。
9．按权利要求8所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的高电流密度电解法的电流密度为0.2A/cm2以上，电解时间为30秒至5分钟。
10．按权利要求9所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的高电流密度电解法的电解溶液含2至5wt％NaCl，且电流密度为0.3A/cm2以上，而电解时间为1至3分钟。
11．按权利要求5、6或7所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述中电流密度电解法的电流密度为0.1至0.8A/cm2，电解时间为3至30分钟。
12．按权利要求8所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的中电流密度电解法的电流密度为0.2至0.7A/cm2，电解时间为5至20分钟。
13．按权利要求9所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的中电流密度电解法的电流密度为0.2至0.7A/cm2，电解时间为5至20分钟。
14．按权利要求10所述的表面具有孔洞的骨科用植入物的制法，其特征在于所述的中电流密度电解法之电流密度为0.2至0.7A/cm2，电解时间为5至20分钟。
全文摘要
本发明涉及医疗领域中表面具有孔洞的骨科用植入物及其制法,植入物表面至少部分具有多孔结构,该多孔结构至少部分为复式孔洞结构,该复式孔洞结构至少部分孔洞的孔口大小为10－800微米;其方法为使用大电流密度及/或中电流密度的电化学技术,在其金属表面上形成复式孔洞结构,由于不具有“对外不连通”的中空孔,所有孔洞外围的金属均为金属本体的一部分,因此,没有边界断裂,疲乏强差及/或抗挠强度差等问题。
文档编号A61L27/56GK1305789SQ0010031
公开日2001年8月1日 申请日期2000年1月17日 优先权日2000年1月17日
发明者薛文景, 林智一, 林圣富 申请人:薛文景, 林智一, 林圣富