生物活性玻璃支架及其制备方法技术

本发明专利技术描述了具有被非晶形保护物包围的内部多孔支架显微结构的玻璃珠、玻璃-陶瓷珠、或陶瓷珠。该保护物用来保护该保护物的内部多孔显微结构，同时提高了该多孔显微结构的总体强度并改善本身或在装置中的可流动性，所述装置例如将用于骨或软组织扩增或再生的生物可降解的油灰。珠内部存在的开放的孔将容许与固体粒子或球相比增强的体内可降解性并且还促进组织的生长，所述组织包括但不限于所有类型的骨、软组织、血管和神经。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】生物活性玻璃支架及其制备方法
本专利技术涉及用于植入到哺乳动物中以利于组织修复和组织再生的生物相容性支架。
技术介绍
持续一段时间以来对多孔的生物活性玻璃用于生物材料设计有兴趣。能够刺激治愈过程并促进组织生长同时由最终会降解的材料制成的显微结构是吸引人的。遗憾的是，高度多孔的材料固有地具有低强度，这可能是主要的不利之处。另一个要克服的主要障碍是多孔支架的可操作性不良，因为它们在操作时容易弄坏，可容易地缠绕在一起，最后变得对预期目的不起作用。大多数整形行业在其装置中使用尸体骨骼的致密颗粒、基于磷酸钙的陶瓷或生物活性玻璃，因为它们具有需要的强度和在手术过程中所需的可操作性。使用基于硅酸盐的生物活性玻璃，例如45S5和S53P4，目前用于被美国食品和药品管理局和其他世界安全组织批准用在可植入装置中的产品，例如整形植入物，且已知能够制备三维多孔支架。具有与45S5和S53P4类似的组成的玻璃当被加热到高于每种玻璃各自的玻璃转变温度(Tg)时快速结晶，使得通过传统热处理的粘性烧结不结晶变得困难。因此，目前不存在可商用的、由硅酸盐玻璃构成的、非晶形的、坚硬的和多孔的支架。已经研制具有多种碱性元素和碱土元素联合另外的二氧化硅的带有较宽工作范围的玻璃来满足该需要，但是这些玻璃转化成羟基磷灰石(HA)比45S5和S53P4慢，并且这些支架都不是被FDA批准用于任何临床市场的目前可用的产品。大于500μm的硅酸盐玻璃粒子可花费数年完全与体液反应并被转化为称为羟基磷灰石(HA)的骨的无机组分，因为大的玻璃粒子(>500μm)在治疗的组织中留下需花费数年重建成自然组织的空隙，且大粒子具有相对小的表面积质量比并且不容许组织被骨或血管穿透。多孔支架容许组织穿透，并且可用于与体液反应的表面积较大且穿过整个支架，这显著降低了到HA的转化时间和最终的重建。硅酸盐玻璃45S5到HA的转化动力学显示，一旦硅胶层达到足够大的厚度变成扩散膜，从收缩体积模型到扩散模型减慢。这是由45S5构成的多孔的支架将在约数周的时间转化成HA的原因，与可花费数年的具有类似大小的45S5固体玻璃珠相对照。特定玻璃的结晶特性和玻璃转变特性在处理玻璃和将其制备成多孔的支架时是重要的。由相对低浓度的玻璃形成氧化物和相对高浓度的碱性氧化物和碱土氧化物构成的玻璃组合物往往在被加热到高于玻璃转变温度时快速结晶，使得通过粘性流粘结变得困难。因此从这些通过传统的热处理的玻璃使得多孔材料或支架坚硬的能力是不可能的。通常，通过加热到玻璃转变温度以上至适合于粘性流的粘度来粘结玻璃。取决于该过程容许的时间量和所需的流的量，用于处理的粘度可随着应用而变化。用于这些应用的玻璃被设计成在加工温度抵抗结晶，因为离子的移动性高。玻璃的流动性越强，通常玻璃可能更容易结晶，因为这取决于玻璃组合物距离晶相多近和容许玻璃结晶的活化能多大。将受益于这种粘结方法的玻璃需要相对低的能量输入以容许原子重排和开始形成晶体。晶体的形成，尤其是在粒子表面的晶体的形成，是抑制这些粒子的粘性流的。从玻璃结晶的晶相通常在比结晶所需的温度显著更高的温度下熔解；因此晶体不形成将在烧结过程中有帮助的粘性流。另外，向结晶的倾向性随着玻璃组分的表面积与体积比的增加而增加，所以组分越小，向表面结晶和粘结抑制的倾向性越大。支架，特别是被设计用作骨支架的支架，应是高度多孔的(>50％)，并且常常通过将由玻璃粒子和其他有机及无机组分构成的浆料灌输到预制件(preform)(泡沫或海绵或其他多孔聚合物)而形成，所述预制件必须在烧结之前被缓慢烧尽(burnout)。为了保持预制件期望的显微结构，加热速率通常保持较低，几℃/min，到烧结温度，然后烧结部分被缓慢冷却以消除玻璃/陶瓷支架的热冲击(thermalshock)。对于快速结晶的玻璃(45S5和S53P4)来说，这些方法在制备坚硬的玻璃方面没有效果。图1所示的图形描述了用于以下专利技术的可能的热处理的令人感兴趣的可用区域。烧结生物活性玻璃是时间-温度-结晶依赖性过程，且不能忽视单个组分。通常，文献中讨论的支架是粗糙且锋利的，这对于小型试验不是问题，但对于想要按在植入材料上而不刺穿手套的临床医生例如骨外科医生来说可能是个大问题。刺穿的手套使临床医生和患者暴露于可能的疾病传播，且如果植入材料穿透临床医生皮肤的话，临床医生可被植入材料伤害。因此，目前没有被FDA批准用于临床使用的由基于硅酸盐的45S5或S53P4生物活性玻璃构成的完全非晶形支架。支架的表面粗糙性从操作的观点来看当然是缺点，但在例如骨油灰(boneputty)的产品中或即使仅在单相植入材料例如松散颗粒中，粗糙边缘使每个支架抓住彼此，降低了粒子的可流动性。这种可流动性的降低减少了骨油灰可并入的总体的支架负载，因为骨油灰本身充当改善可操作性的润滑剂。来自破裂边缘的碎片还可以提高总体免疫应答，因为巨噬细胞试图除去/吞食小粒子。因此，对粘结具有高结晶亲和力的基于硅酸盐的生物活性玻璃的方法存在需要。
技术实现思路
本专利技术的一个概念是具有被非晶形保护物(shield)包围且在无挥发性组分或粘结剂和成孔剂的情况下制备的内部多孔支架显微结构的玻璃珠、玻璃-陶瓷珠或陶瓷珠。保护物用来防护保护物的内部多孔显微结构同时提高该多孔显微结构的总体强度并改善珠本身或在装置中的可流动性，所述装置例如将用于骨或软组织扩增或再生的生物可降解的骨油灰。珠内部存在的开放的孔将容许与固体粒子或球相比增强的体内可降解性并且还促进组织的生长，所述组织包括但不限于所有类型的骨、软组织、血管和神经。内部显微结构的几个例子是定向取向或随机取向的纤维网络、与玻璃珠混合的随机取向的纤维网络，或者它可由通过玻璃粒子的部分熔融(fuse)形成的互相连通的孔构成。受保护的支架可包含用于控制降解、生物刺激或抗微生物特性(仅举几例)目的的一种或多种玻璃组合物。本专利技术涉及包装多孔支架并将期望的可降解性和支架的多孔显微结构保留在封装的壳中的方法，所述封装的壳在植入前提高支架强度和润滑性并且在用作独立的移植材料或骨油灰的组分时改善可操作性。因而，保护生物活性玻璃支架显微结构可在植入前和植入过程中实施且将增强市场中例如整形、脊柱和软组织创伤治疗市场中可用的显微结构。在本专利技术的实践中，生物活性玻璃的粉末被碾碎并润湿。混合润湿的粉末以使湿粒子粘在一起并形成附聚物，然后该附聚物可被烧结或用作油灰。另一个实施方案由通过类似方法制备的烧结纤维颗粒构成，即通过混合玻璃纤维和玻璃珠并振动来制备纤维球，纤维球进而形成互锁结构(interlockingstructure)，然后互锁结构被放入陶瓷坩埚中进行热处理。所得的多孔坚硬颗粒包括烧结纤维和珠。另一实施方案利用之前提到的互锁的纤维和珠并且通过使互锁结构下落通过火焰对颗粒进行火焰烧结，其形成围绕未结合的或松散的纤维和珠的芯(core)的相对平滑的多孔保护物。另一实施方案涉及首先在坩埚中烧结微粒或纤维支架，然后在火焰中加热以形成表面层保护物，且一旦表面层保护物已通过火焰并收集其就准备使用。本专利技术提供了一种受保护的玻璃支架，包括：生物活性玻璃纤维与生物活性玻璃珠的混合物，所述纤维和珠中的一些彼此熔融；所述混合物被熔融玻璃的保护物包围，所述保护物其中具有孔。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种受保护的玻璃支架，包括生物活性玻璃纤维与生物活性玻璃珠的混合物，所述纤维和珠中的一些彼此熔融；所述混合物被熔融玻璃的保护物包围，所述保护物其中具有孔。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种受保护的玻璃支架，包括：生物活性玻璃纤维与生物活性玻璃珠，所述纤维和珠被混合以形成附聚物并且所述纤维和珠中的一些彼此熔融；所述附聚物被熔融玻璃的保护物包裹，所述保护物中具有孔，其中所述保护物通过使所述附聚物下落通过在3600°F与5100°F之间的温度的丙烷/氧气火焰并持续能够形成熔融外部的时间来形成。2.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述孔的大小为10μm至200μm。3.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，还包括松散的纤维和珠。4.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述纤维和所述珠包括45S5生物活性玻璃。5.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述纤维的长度为20μm至3mm且直径为300nm至30μm。6.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中90％的所述珠的直径为30至425μm。7.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中具有10％到50％纤维和40％到90％珠。8.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中具有25％纤维和75％珠。9.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述附聚物形成选自由以下组成的组的所述受保护的玻璃支架：骨包裹物，骨或软组织的油灰，止血装置，整形或脊柱相关植入物，和骨水泥或骨胶。10.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述附聚物形成所述受保护的玻璃支架，所述受保护的玻璃支架是复合材料。11.如权利要求1所述的受保护的玻璃支架，其中所述附聚物形成所述受保护的玻璃支架，所述受保护的玻璃支架是外部绷带。12.一种制备受保护的玻璃支架的方法，所述方法包括以下步骤：1)混合生物活性玻璃珠与生物活性玻璃纤维以形成附聚物；2)烧结所述附聚物；3)使所烧结的附聚物下落通过具有3600°F至5600°F温度的火焰以形成玻璃状外部；4)冷却和收集所得的受保护的玻璃支架。13.如权利要求12所述的方法，其中利用所述烧结的附聚物来形成选自由以下组成的组的所述受保护的玻璃支架：骨包裹物，骨或软组织的油灰，止血装置，整形或脊柱相关植入物，和骨水泥或...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·荣格，
申请(专利权)人：莫斯茨公司，
类型：发明
国别省市：美国;US