具有高矿物含量的纤维增强生物复合材料医用植入物制造技术

一种医用植入物，该医用植入物包括多个层，每个层包括聚合物和多根单向地对齐的连续增强纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有高矿物含量的纤维增强生物复合材料医用植入物背景永久性矫形植入材料医用植入物可以由金属、合金、陶瓷或既可降解又稳定的复合材料制造。在需要高强度的承重矫形应用中，通常使用不锈钢或钛合金。金属植入物在矫形手术中具有悠久的成功使用历史，但也具有许多关于并发症的风险。尽管这些材料是惰性的，但它们还用于其中对植入物的需求仅仅是暂时的情况，如用于骨折固定术(fracturefixation)。在用于骨折固定术的金属棒和金属板的情况下，用于装置移除的二次手术可能在确认骨融合(osseousunion)之后约一年被推荐。植入物移除造成患者另外的风险和增加的发病率、占据诊所的可用性并且增加总的手术成本(procedurecost)。如果装置不被移除，则它可能造成骨骼的重塑。这种重塑由于宿主组织的应力遮挡(stressshielding)或炎症又可能削弱骨骼。与皮质骨(corticalbone)的刚度和强度相比，应力遮挡可能由于金属的高刚度(模量)和高强度而发生，使得金属加应力于骨骼，这可能导致假体周围骨折(periprostheticfracture)或骨强度的损失。传统上已经由金属合金构造的承重医用植入物的示例包括骨板、骨棒、骨螺钉、骨图钉(bonetack)、骨钉(bonenail)、骨夹(boneclamp)和骨销(bonepin)，用于骨折的固定和/或截骨术(osteotomy)，以使骨碎片固定用于愈合。其他示例包括颈部楔(cervicalwedge)、腰椎笼(lumbarcage)以及用于脊椎融合和脊柱手术中其他操作的板和螺钉。生物稳定聚合物及其复合材料例如基于聚甲基丙烯酸酯(PMMA)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚醚醚酮(PEEK)、聚硅氧烷和丙烯酸类聚合物也已经被用于制造医用植入物。这些材料不是可生物降解的或可生物吸收的，并且因此当用于医用植入物应用时，它们面临许多与金属相同的限制，例如，它们可能需要二次手术用于在植入物使用寿命的某点替换或移除植入物。此外，这些材料比金属更脆弱(较低的强度和刚度)，使得它们更容易受到机械故障影响，特别是在重复动态负载(repeateddynamicloading)(即通过材料疲劳或蠕变)之后。现有的可降解聚合物医用植入物可吸收的聚合物已经被用于开发可吸收的植入物，可吸收的植入物也可以被称为可吸收的、可生物吸收的或可生物降解的植入物。使用生物相容的、可吸收的聚合物的优点是，聚合物以及由此植入物在体内再吸收并且释放由代谢系统代谢的无毒降解产物。聚合物，包括聚乳酸和聚乙醇酸以及聚二氧杂环己酮(polydioxanone)，是可吸收的生物相容材料，可吸收的生物相容材料目前被用作矫形板、矫形棒、矫形锚、矫形销或矫形螺钉，以用于非承重医用植入物应用，例如颅面应用(craniofacialapplication)。这些医用植入材料提供最终再吸收的优点，消除以后移除的需求，同时允许应力转移到重塑骨折。然而，目前的可生物吸收的材料和植入物不具有与金属植入物匹配的机械性质。非增强可吸收聚合物的机械强度和模量(约3-5GPa)不足以支撑断裂的皮质骨，断裂的皮质骨具有在约15-20GPa的范围内的弹性模量(SnyderSM等人，测量人类胫骨(tibialbone)的弯曲模量为约17.5GPa，SnyderSMSchneiderE,JournalofOrthopedicResearch,第9卷,1991,第422-431页)。因此，由可吸收聚合物构建的现有医用植入物的指征被限制，并且现有医用植入物的固定通常需要保护免于运动或显著负载。当需要低应力区域(即，非承重应用)的固定时，例如在儿科患者中或在成人的内踝骨折(medialmalleolarfracture)、胫排联合固定(syndesmoticfixation)、颌面部骨折或骨软骨骨折中，这些装置仅是考虑。增强可降解聚合物材料最近，已经引入了具有改进的强度和刚度(模量)的增强聚合物材料。这些可生物降解的复合材料包括由通常呈纤维形式的填料增强的聚合物。在复合材料中，通常将相对柔性的基质(即聚合物)与刚性的和强的增强材料组合，以增强复合材料基质的机械性质。例如，可生物降解的玻璃或矿物材料可以被用于改进可生物降解的聚合物基质的刚度和强度。在现有技术中，报道了生产这样的复合材料的几种尝试，其中生物活性玻璃颗粒、羟基磷灰石粉末或短玻璃纤维被用于增强可生物降解聚合物的性质。在大部分情况下，这些复合材料的强度和刚度相比于皮质骨较低，或在生理环境中快速降解之后变得低于皮质骨。因此，这些复合材料中的大部分不适用于承重的医用植入物应用。然而，最近已经报道了其中强度和刚度等于或大于皮质骨的可生物降解的复合材料，例如包含可生物降解聚合物和20-70vol％玻璃纤维的可生物降解的复合材料(WO2010128039A1)。其它复合材料植入物例如由利用纤维增强的聚合物形成的复合材料，在美国专利4,750,905、5,181,930、5,397,358、5,009,664、5,064,439、4,978,360、7,419,714中公开，其公开内容通过引用并入本文。增强的可降解聚合物材料的降解机理当可生物降解的复合材料用于承重的医用植入物例如用于固定骨折应用时，医用植入物的机械性质必须被保持持续延长的时间。复合材料的降解将导致植入物的强度或刚度的过早损失(prematureloss)，并且可能导致植入物功能故障，例如造成不适当的骨愈合的骨节段的不充分固定，。一旦可生物降解的复合材料与体液接触，可生物降解的复合材料将开始水解地降解。此降解可能是可生物降解聚合物的降解、增强填料的降解或两者的结果。在水环境例如生理环境中的这样的降解，特别可能导致某些由无机化合物增强的增强聚合物材料的机械强度和刚度的急剧下降。在可吸收的聚合物基质是有机材料并且填料是无机化合物的情况下，可吸收的聚合物基质和填料之间的粘附力(adhesion)可以通过聚合物或填料在水环境中的降解而减小，并且变得迅速地减小，使得增强聚合物的初始机械性质迅速地下降，并且对于足够的承重性能而言变得不太理想。除了聚合物和填料分别地降解之外，聚合物与增强物界面(reinforcementinterface)的不良的相互作用和粘附力可能导致水环境中界面处的早期故障，从而在增强物从聚合物中分离并且填料的增强效果损失时导致急剧的机械性质下降。等人(WO2006/114483)描述了一种复合材料，该复合材料在聚合物基质中包含两种增强纤维，一种是聚合物纤维，并且一种是陶瓷纤维；并且报道了等效于皮质骨的性质的良好初始机械结果(420+/-39MPa的弯曲强度和21.5GPa的弯曲模量)。然而，现有技术教导，用可吸收玻璃纤维增强的可生物吸收的复合材料具有高的初始弯曲模量，但是它们在体外迅速地失去其强度和模量。虽然聚合物和增强物之间的改进的界面结合(例如共价键合)可以显著地延长增强的可生物吸收的聚合物在水环境中的机械性质保持(mechanicalpropertyretention)(WO2010128039A1)，但聚合物、增强物或二者之间的界面的持续水解将造成机械性质随时间的损失。由于骨融合可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种医用植入物，所述医用植入物包括生物复合材料，所述生物复合材料包括聚合物和多根增强纤维，其中所述生物复合材料医用植入物内的矿物组合物的重量百分比在40％‑90％的范围内，其中所述纤维的平均直径在1‑100微米的范围内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.27 US 62/354,8231.一种医用植入物，所述医用植入物包括生物复合材料，所述生物复合材料包括聚合物和多根增强纤维，其中所述生物复合材料医用植入物内的矿物组合物的重量百分比在40％-90％的范围内，其中所述纤维的平均直径在1-100微米的范围内。2.如权利要求1所述的植入物，其中所述重量百分比在40％-70％的范围内。3.如权利要求2所述的植入物，其中所述重量百分比在40％-65％的范围内。4.如权利要求3所述的植入物，其中所述重量百分比在45％-60％的范围内。5.如权利要求1-4中任一项所述的植入物，其中所述矿物组合物是基于二氧化硅的。6.如权利要求5所述的植入物，其中所述基于二氧化硅的矿物化合物具有至少一种以以下mol.％范围中的至少一种的氧化物组成：Na2O：11.0-19.0mol.％CaO：9.0–14.0mol.％MgO：1.5–8.0mol.％B2O3：0.5–3.0mol.％Al2O3：0–0.8mol.％P2O3：0.1–0.8mol.％SiO2：67–73mol.％。7.如权利要求6所述的植入物，其中所述基于二氧化硅的矿物化合物具有至少一种以以下mol.％范围中的至少一种的氧化物组成：Na2O：12.0-13.0mol.％CaO：9.0–10.0mol.％MgO：7.0–8.0mol.％B2O3：1.4–2.0mol.％P2O3：0.5–0.8mol.％SiO2：68–70mol.％。8.如以上权利要求中任一项所述的植入物，其中生物复合材料组合物的密度在1g/mL至2g/mL之间。9.如权利要求8所述的植入物，其中所述密度在1.2g/mL至1.9g/mL之间。10.如权利要求9所述的植入物，其中所述密度在1.4g/mL至1.8g/mL之间。11.如以上权利要求中任一项所述的植入物，其中矿物含量通过由所述矿物组合物制成的增强矿物纤维提供。12.如权利要求11所述的植入物，其中大部分增强纤维的直径在0-100μm的范围内。13.如权利要求12所述的植入物，其中所述直径在1-20μm的范围内。14.如权利要求13所述的植入物，其中所述直径在4-16μm的范围内。15.如权利要求14所述的植入物，其中所述直径在9-14μm的范围内。16.如权利要求11-15中任一项所述的植入物，其中所述医用植入物内的纤维之间的纤维直径的标准偏差小于5μm。17.如权利要求16所述的植入物，其中所述标准偏差小于3μm。18.如权利要求17所述的植入物，其中所述标准偏差小于1.5μm。19.如权利要求11-18中任一项所述的植入物，其中所述增强纤维包括聚合物基质内部的纤维节段，其中所述聚合物是可生物降解的，并且其中所述可生物降解的聚合物被包含在可生物降解的复合材料中以形成所述基质。20.如权利要求19所述的植入物，其中平均纤维节段长度和/或其中大部分纤维节段长度在0.5-20mm的范围内。21.如权利要求20所述的植入物，其中所述长度在1-15mm的范围内。22.如权利要求21所述的植入物，其中所述长度在3-10mm的范围内。23.如权利要求22所述的植入物，其中所述长度在4-8mm的范围内。24.如权利要求11-23中任一项所述的植入物，其中所述纤维被嵌入包括所述生物复合材料的聚合物基质中。25.如权利要求24所述的植入物，其中所述聚合物包括丙交酯、乙交酯、己内酯、戊内酯、碳酸酯(例如三亚甲基碳酸酯、四亚甲基碳酸酯及类似物)、二氧杂环己酮(例如1,4-二氧杂环己酮)、δ-戊内酯、1,二氧杂环庚酮)例如1,4-二氧杂环庚-2-酮和1,5-二氧杂环庚-2-酮)、乙二醇、环氧乙烷、酯酰胺、γ-羟基戊酸酯、β-羟基丙酸酯、α-羟基酸、羟基丁酸酯、聚(原酸酯)、羟基链烷酸酯、酪氨酸碳酸酯、聚酰亚胺碳酸酯、聚亚氨基碳酸酯例如聚(双酚A-亚氨基碳酸酯)和聚(氢醌-亚氨基碳酸酯)、聚氨酯、聚酐、聚合物药物(例如聚二氟尼柳、聚阿司匹林和蛋白质治疗剂)、糖；淀粉、纤维素和纤维素衍生物、多糖、胶原蛋白、壳聚糖、纤维蛋白、透明质酸、多肽、蛋白质、聚(氨基酸)、聚乳酸(PLA)、聚-L-丙交酯(PLLA)、聚-DL-丙交酯(PDLLA)；聚乙交酯(PGA)；乙交酯的共聚物、乙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物(PGA/TMC)；PLA的其它共聚物，例如丙交酯/四甲基乙交酯共聚物、丙交酯/三亚甲基碳酸酯共聚物、丙交酯/d-戊内酯共聚物、丙交酯/ε-己内酯共聚物、L-丙交酯/DL-丙交酯共聚物、乙交酯/L-丙交酯共聚物(PGA/PLLA)、聚丙交酯-共-乙交酯；PLA的三元共聚物，例如丙交酯/乙交酯/三亚甲基碳酸酯三元共聚物、丙交酯/乙交酯/ε-己内酯三元共聚物、PLA/聚环氧乙烷共聚物；聚缩酚酸肽；不对称-3,6-取代的聚-1,4-二氧六环-2,5-二酮；聚羟基链烷酸酯；例如聚羟基丁酸酯(PHB)；PHB/b-羟基戊酸酯共聚物(PHB/PHV)；聚-b-羟基丙酸酯(PHPA)；聚对二氧杂环己酮(PDS)；聚-d-戊内酯-聚-ε-己内酯、聚(ε-己内酯-DL-丙交酯)共聚物；甲基丙烯酸甲酯-N-乙烯基吡咯烷酮共聚物；聚酯酰胺；草酸的聚酯；聚二氢吡喃；聚烷基-2-氰基丙烯酸酯；聚氨酯(PU)；聚乙烯醇(PVA)；多肽；聚-b-苹果酸(PMLA)：聚-b-链烷酸；聚碳酸酯；聚原酸酯；聚磷酸酯；聚(酯酸酐)；及其混合物；以及其衍生物、共聚物及混合物。26.如权利要求25所述的植入物，其中所述聚合物选自由以下组成的组：PLLA、PDLA、PGA、PLGA、PCL、PLLA-PCL及其组合。27.如权利要求26所述的植入物，其中所述PLLA被用于所述聚合物基质，并且所述基质包括至少30％PLLA。28.如权利要求27所述的植入物，其中所述基质包括至少50％PLLA。29.如权利要求28所述的植入物，其中所述基质包括至少70％PLLA。30.如权利要求29所述的植入物，其中所述PDLA被用于所述聚合物基质，并且所述基质包括至少5％PDLA。31.如权利要求30所述的植入物，其中所述基质包括至少10％PDLA。32.如权利要求31所述的植入物，其中所述基质包括至少20％PDLA。33.如以上权利要求中任一项所述的植入物，包括非均质结构。34.如权利要求33所述的植入物，其中所述非均质结构是连续的。35.如权利要求33所述的植入物，包括多个层。36.如权利要求35所述的植入物，其中所述层是无定形的。37.如权利要求35所述的植入物，其中所述纤维在每一层内被单向地对齐。38.如权利要求37所述的植入物，其中所述对齐的纤维包括对齐的纤维节段，所述对齐的纤维节段平均具有5-12mm长度。39.如权利要求37所述的植入物，其中所述对齐的纤维是连续的。40.如以上权利要求中任一项所述的植入物，在每个生物复合材料层中包括1-100根之间的增强纤维。41.如权利要求40所述的植入物，在每个生物复合材料层中包括2-40根之间的增强纤维。42.如权利要求41所述的植入物，在每个生物复合材料层中包括4-20根之间的增强纤维。43.如以上权利要求中任一项所述的植入物，其中每一层具有定向纤维取向，并且其中所述纤维取向在相邻层之间交替，使得每个相邻层具有不同的角度，其中层之间的所述角度差在15度至75度之间。44.如权利要求43所述的植入物，其中层之间的所述角度差在30度至60度之间。45.如权利要求44所述的植入物，其中层之间的所述角度差在40度至50度之间。46.如以上权利要求中任一项所述的植入物，其中按照由一层中最后的纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·普赖斯布鲁姆，T·P·林德纳，
申请(专利权)人：奥西西奥有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列,IL