專利名稱：脊柱融合器的制作方法
脊柱融合器本發(fā)明涉及一種脊柱融合器，用于制備脊柱融合器的方法以及包含該脊柱融合器的脊柱融合系統(tǒng)。脊柱融合術(shù)，也被稱為脊柱制動(dòng)術(shù)(spondylodesis或spondylosyndesis)，是用于將兩根或更多根椎骨連接在一起的外科技術(shù)。脊柱融合術(shù)最常在腰部脊柱上進(jìn)行，但是也用于治療頸和胸椎問題。脊柱融合術(shù)有兩個(gè)主要手術(shù)途徑，可以相互結(jié)合使用 后外側(cè)融合術(shù)通過后入路或外側(cè)入路將骨移植物置于椎骨之間。然后通過使螺桿和/或絲線穿過與椎骨每一面上的金屬棒相連的每一根椎骨的椎弓根而將這些椎骨適當(dāng)?shù)毓潭ā?椎間融合術(shù)將骨移植物置于椎骨之間通常由椎間盤占據(jù)的區(qū)域。為脊柱融合術(shù)做準(zhǔn)備時(shí)，椎間盤被完全移除。融合器可以被置于椎骨之間從而維持脊柱序列和椎間盤高度。椎間融合器可以由聚合物材料制成或者由鈦制成。然后在椎骨的終板之間發(fā)生融合。 同時(shí)使用這兩種融合術(shù)的被稱為360°融合術(shù)。融合率比椎間融合術(shù)高。手術(shù)后融合過程通?；ㄙM(fèi)6-12個(gè)月。在此期間，可能需要外部支撐(矯正器械)。脊柱融合系統(tǒng)在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且通常由脊柱外科醫(yī)生使用，用于使相鄰的椎骨保持在預(yù)期的位置上的同時(shí)進(jìn)行脊柱融合。脊柱融合系統(tǒng)可以脊柱融合器組成，其被置于兩根相鄰的椎骨之間從而有助于脊柱融合。脊柱融合系統(tǒng)還可以由與兩根相鄰椎骨相連的棒或板組成，從而實(shí)現(xiàn)椎骨之間相互固定，并且還可以由脊柱融合器與棒或板的組合組成。本發(fā)明涉及只包含脊柱融合器或者包含脊柱融合器與棒或板的組合的脊柱融合系統(tǒng)。最常用的脊柱融合系統(tǒng)由金屬(諸如鈦或鈷鉻合金)制成，或者由常用于生物醫(yī)用植入物的聚合物(聚醚醚酮(PEEK))制成。這些植入材料的模量遠(yuǎn)高于骨的模量，并且存在植入物下陷和移位的臨床證據(jù)，這被認(rèn)為歸結(jié)于天然骨與植入材料的力學(xué)不相容性。由于存在這些金屬植入物，還發(fā)生骨頭壓力性壞死。基于來自供體(同種異體移植物)或來自病人自身(自體移植物)的骨材料的植入物具有不一致的機(jī)械強(qiáng)度并且隨時(shí)間顯示出下陷。這些植入物的不一致的性能使得它們對(duì)于可靠地加工的來說通常不可預(yù)料、具有挑戰(zhàn)性，并且特別易于遷移和排出，因?yàn)殡y以將齒狀物一致地加工到上下植入物的接觸面中。例如US2005/0049706公開了多孔陶瓷材料，其試圖提供機(jī)械性能可與骨相比的脊柱融合系統(tǒng)。但是這些植入物仍是由非常剛硬的材料制成。這些脊柱融合系統(tǒng)不可壓縮， 仍將導(dǎo)致下陷至骨中。US 2005/0246021和EP18180M分別描述了由多孔聚合物材料或其上有孔的聚合物材料制成的脊柱融合器。這些融合器是由可生物再吸收聚合物材料(例如PLA)制成，這些材料的缺點(diǎn)是由于身體的再吸收性，材料的機(jī)械性能不穩(wěn)定。這些聚合物材料本身是不可壓縮的。使用多孔聚合物材料的目的是能以可控的方式將材料壓縮從而在材料內(nèi)創(chuàng)建各種結(jié)構(gòu)配對(duì)體。在負(fù)荷下多孔融合器以及有孔融合器的高度將永久性減小。因此這些脊柱融合器不能被設(shè)計(jì)來承受負(fù)載，在負(fù)載狀態(tài)下將(進(jìn)一步)顯示出永久變形。
因此，仍需要一種生物穩(wěn)定的脊柱融合器，其拉伸模量與骨相當(dāng)，不會(huì)下陷并且能提供良好的穩(wěn)定性。根據(jù)本發(fā)明提供了這樣的脊柱融合器。本發(fā)明的生物穩(wěn)定的脊柱融合器被植入在兩根相鄰的椎骨之間，在負(fù)荷下整個(gè)融合器的最大壓縮高于脊柱融合器初始高度的0. 05%，最大壓縮不會(huì)改變?nèi)诤掀鞯慕Y(jié)構(gòu)完整性。融合器的初始高度和壓縮后的高度都用mm表示。脊柱融合器的初始高度是沒有在脊柱融合器上施加任何負(fù)荷時(shí)，脊柱融合器與一根椎骨的接觸面和同一脊柱融合器與相鄰椎骨的另一個(gè)接觸面之間最短的距離。壓縮后的高度是在相當(dāng)于應(yīng)力水平的負(fù)荷作用在融合器接觸面的機(jī)械壓縮條件下脊柱融合器的高度(以mm計(jì))。2MPa已經(jīng)高于人體椎骨骨小梁的壓縮屈服強(qiáng)度 (Kopperman, D. L.，Biomechanics 31，601-608)，從而提供產(chǎn)生不期望的融合器向骨內(nèi)下陷的邊界條件。當(dāng)施加在脊柱融合器接觸面上的負(fù)荷導(dǎo)致融合器發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，便達(dá)到融合器的壓縮后的高度。只有在融合器的測試期間才能使融合器達(dá)到壓縮后的高度，且通常不會(huì)在人體或其他動(dòng)物體中出現(xiàn)的條件下達(dá)到壓縮后的高度。機(jī)械變形不會(huì)導(dǎo)致融合器的失效或永久變形。最大壓縮是初始高度和在相當(dāng)于應(yīng)力水平的負(fù)荷作用在融合器的接觸面時(shí)的壓縮后的高度之間的差(以mm計(jì))。高于脊柱融合器初始高度的0. 05%的最大壓縮是比常規(guī)材料(諸如金屬、陶瓷或 PEEK)的最大壓縮還大的壓縮。優(yōu)選地，最大壓縮大于脊柱融合器初始高度的0.1%。優(yōu)選地，最大壓縮小于脊柱融合器初始高度的12% ；更優(yōu)選地小于脊柱融合器初始高度的10%最大壓縮是在向脊柱融合器施加負(fù)荷時(shí)脊柱融合器的變形的量度。脊柱融合器必須足夠堅(jiān)固以承受人體或動(dòng)物體的負(fù)荷以及承受身體的正常運(yùn)動(dòng)而不會(huì)失效。脊柱融合器還必須具有柔韌性從而能吸收由運(yùn)動(dòng)引起的人體或動(dòng)物體的震動(dòng)，不會(huì)下陷到椎骨中或者不會(huì)使椎骨之間的融合器排出。脊柱融合器的較高的最大壓縮可以例如通過設(shè)計(jì)特征或通過使用更軟或更像橡膠的材料而實(shí)現(xiàn)。脊柱融合器可以例如由金屬、陶瓷和/或聚合物制成。設(shè)計(jì)特征可以包含于脊柱融合器中。這些包括但不限于彈簧、線圈等，它們允許脊柱融合器被壓縮。優(yōu)選地，脊柱融合器包含生物穩(wěn)定的聚合物材料。脊柱融合器中所用的聚合物材料可以是均聚物、共聚物、嵌段共聚物和無規(guī)共聚物。聚合物可以選自例如聚烯烴類、聚酯類、聚酰胺類、聚氨酯類和彈性體類。優(yōu)選地，聚合物材料的拉伸模量低于3500MPa，該拉伸模量低于骨的拉伸模量。此處和下文中所定義的拉伸模量是根據(jù)ISO 527測定的模量。脊柱融合器可以包含一種或更多種聚合物材料或者包含聚合物材料與一種或更多種其他材料(諸如金屬或陶瓷)的組合。根據(jù)本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式，脊柱融合器包含一種聚合物材料，該脊柱融合器的較高的最大壓縮例如是通過如下得到的通過使聚合物材料發(fā)泡、通過使用熔融沉積成型(FDM，fused deposition molding)來制備脊柱融合器、通過使一定量的抗沖改性劑或增塑劑與聚合物材料混合或通過為脊柱融合器設(shè)計(jì)特征。此外，選擇性激光燒結(jié)(SLS)和其他快速造型技術(shù)也可以用于制備脊柱融合器?？梢愿鶕?jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的方法來制備聚合物材料的泡沫。通過使用物理和/或化學(xué)發(fā)泡劑可以使聚合物材料轉(zhuǎn)化為發(fā)泡的融合器或融合器部件。泡沫可以是開孔泡沫或閉孔泡沫。通過使用FDM或SLS，可以制備出具有根據(jù)本發(fā)明的最大壓縮的預(yù)定三維結(jié)構(gòu)融
ο抗沖改性劑是能與聚合物材料混合從而改善聚合物材料的抗沖擊性的化合物。抗沖改性劑可以例如是能與聚合物基質(zhì)相容的官能化的彈性材料?？箾_改性劑的實(shí)例是在聚烯烴中被用作抗沖改性劑的彈性聚合物(例如Kraton )。增塑劑是使添加其的材料的塑性或流動(dòng)性增大的添加劑。最常用的增塑劑是鄰苯
二甲酸酯。優(yōu)選地，脊柱融合器中的聚合物材料是至少部分發(fā)泡的。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，脊柱融合器包含多于一種的材料。例如，可以是金屬或陶瓷與拉伸模量非常低的材料的組合。優(yōu)選地，脊柱融合器包含多于一種的聚合物材料以及-至少一種聚合物材料的拉伸模量介于0.001和< 1. OGPa之間；-至少一種另外的聚合物材料的拉伸模量高于其他聚合物材料的拉伸模量；-聚合物材料相互化學(xué)或物理連接。根據(jù)該實(shí)施方式，脊柱融合器中使用了至少兩種不同的聚合物材料。這些聚合物材料具有不同的模量。聚合物材料可以從上述的聚合物材料中選擇。聚合物材料在脊柱融合器中作為分立的零件或部件存在。該零件或部件由拉伸模量介于0. 001和< 1. OGPa之間或拉伸模量高于其他聚合物材料的的聚合物材料制成。優(yōu)選地，具有較高拉伸模量的聚合物材料的拉伸模量介于1. 0和20GI^之間。在零件或部件中，具有上述拉伸模量的不同聚合物材料可以混合，但是一個(gè)零件或部件不可以既包含拉伸模量介于0. 001和< 1. OGI^a之間的聚合物材料又包含拉伸模量介于1. 0和20GPa之間的聚合物材料。不同的聚合物材料相互之間化學(xué)或物理連接。這表示不同聚合物材料之間可以存在例如共價(jià)鍵、離子鍵、氫鍵或范德華鍵。這些鍵防止存在于脊柱融合器中的兩種聚合物材料的分離。還可以用膠粘劑或能使形成脊柱融合器的不同聚合物材料粘接的其他材料將不同的聚合物材料連接在一起或者通過用于連接不同聚合物材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)將不同的聚合物材料連接在一起。優(yōu)選地，具有較高的拉伸模量的聚合物材料是聚酯。優(yōu)選地，聚酯的拉伸模量介于 1. 0和20GPa之間，更優(yōu)選地拉伸模量介于1. 5和3GPa之間。聚酯可以是熱塑性或熱固性聚酯。熱固聚酯也被稱為熱固性樹脂，是不可逆固化的聚酯材料。可以通過加熱(通常高于150°C)、通過化學(xué)反應(yīng)或輻照來進(jìn)行固化。熱塑性聚酯也被稱為熱軟化塑料，是被加熱時(shí)變成液體而充分冷卻時(shí)凝固為玻璃態(tài)的聚合物。大多數(shù)的熱塑性塑料是高分子量的聚合物，其鏈通過弱的范德華力結(jié)合。熱塑性聚酯不同于熱固性聚合物，因?yàn)楹蜔峁绦跃酆衔锊煌鼈兛梢栽偃刍⒅厮?。聚酯可以是均聚物或共聚物。也可以使用不同類型聚酯的混合物。聚酯的?shí)例為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚(萘二甲酸環(huán)己烷二甲醇酯)(PCT)。優(yōu)選地，聚酯是熱塑性聚酯。在此處和說明書的下文中聚碳酸酯被理解為一種聚優(yōu)選地，拉伸模量介于0. 001和< 1. OGI^a之間的聚合物材料是包含硬相和軟相的熱塑性彈性體(TPE)。更優(yōu)選的是拉伸模量為IO-IOOOMPa的TPE。熱塑性彈性體(TPE)是(嵌段)共聚物或聚合物的物理混合物，其由既有熱塑性又有彈性的聚合物材料組成。商業(yè)上存在6種通用類型的TPE。它們是苯乙烯類嵌段共聚物、聚烯烴類混合物、彈性體合金(ΤΡΕ-ν或TPV)、熱塑性聚氨酯(TPU)、熱塑性共聚酯(TPC) 和熱塑性聚酰胺。TPE 產(chǎn)品的實(shí)例是 Myroflex (BASF) ,Kraton(Shell)、Pellethane (Dow)、 Pebax(Arkema)、Arnitel(DSM)、Hytrel (Du Pont)、Santoprene(Monsanto)、 Geolast(Monsanto)、Sarlink(DSM)、Alcryn (Du Pont)等等。優(yōu)選地，熱塑性彈性體選自熱塑性共聚酯(TPC)和熱塑性聚氨酯(TPU)。術(shù)語“熱塑性聚氨酯(TPU) ”包括通常含有三種主要組分的聚合物系列。三種主要組分是巨二醇、二異氰酸酯和擴(kuò)鏈劑。通常將它們歸類為聚氨酯，因?yàn)槠渲麈溕习被姿狨セ⑶彝ǔＲ舶寤鶊F(tuán)，這些基團(tuán)是聚合物主鏈上的重復(fù)單元。一般針對(duì)聚氨酯中的具體的巨二醇組分，通常三個(gè)主要系列的巨二醇目前都是可商購的。它們是聚酯二醇、聚醚二醇和聚碳酸酯二醇。優(yōu)選地，TPE包含硬相和軟相，其中硬相包含可以選自由聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯、 聚丙烯酸酯和聚烯烴組成的組中的聚合物；而軟相包含選自由聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、聚烯烴和聚硅氧烷組成的組中的聚合物。TPE中的硬相包含熔融溫度(Tm)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高于35°C的剛性聚合物相。TPE中的軟相包含Tg低于35°C、優(yōu)選低于0°C的柔性、無定形聚合物相。在干燥的樣品上測定Tm和Tg。優(yōu)選地，TPE具有包含與拉伸模量介于1. O和20GPa之間的聚合物材料相同的聚合物的硬相。例如，拉伸模量介于1. O和20GPa之間的聚烯烴與具有聚烯烴硬相的TPE組合。根據(jù)本發(fā)明所用的TPE包含例如上述硬相聚合物與軟相聚合物的混合物以及嵌段共聚物。硬相和軟相可以被包含于一種聚合物，也可以由兩種或更多種上述聚合物材料的混合物組成。優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明所用的TPE是嵌段共聚物。當(dāng)TPE是嵌段共聚物時(shí)，脊柱融合器中所用的TPE包含含有硬嵌段和軟嵌段的聚合物，其中硬嵌段包含選自由聚酯、聚酰胺、 聚苯乙烯、聚丙烯酸酯和聚烯烴組成的組中的聚合物；軟嵌段包含選自由聚醚、聚酯、聚丙烯酸酯、聚烯烴和聚硅氧烷組成的組中的聚合物。TPE嵌段共聚物的實(shí)例是嵌段共聚酯酯、嵌段共聚醚酯、嵌段共聚碳酸酯酯、嵌段聚硅氧烷酯、嵌段共聚酯酰胺、包含聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)硬嵌段和聚四氫呋喃軟嵌段的嵌段共聚物、包含聚苯乙烯硬嵌段和乙烯丁二烯軟嵌段(SEBQ的嵌段共聚物、包含聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)硬嵌段和聚碳酸酯軟嵌段的聚氨酯。還存在包含硬和軟聚合物嵌段的聚氨酯嵌段共聚物。例如US 4739013、US 4810749,US 5133742和US 5229431中描述了通常已知的聚氨酯嵌段共聚物以及這些共聚物的制備方法。這些聚氨酯嵌段共聚物具有硬的聚碳酸酯相，并且是生物穩(wěn)定的。TPE中的硬嵌段由上述Tm或Tg高于35°C的剛性聚合物組成。原則上，上述各種聚合物都可以用作硬嵌段。酯、酰胺、苯乙烯、丙烯酸酯和烯烴的共聚物也可以用作硬聚合物嵌段，只要硬聚合物嵌段的Tm或Tg高于35°C。優(yōu)選地，TPE的至少一個(gè)相(即硬相或軟相)包含聚酯。更優(yōu)選地，拉伸模量介于 0. 001和< 1. OGPa之間的聚合物材料是具有聚酯硬嵌段的TPC。已發(fā)現(xiàn)關(guān)于它們(特別是具有聚酯硬嵌段的TPC或TPC)在本發(fā)明的脊柱融合器中的使用具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括低蠕變、低壓縮永久形變、高尺寸穩(wěn)定性和高抗?jié)裥浴Ｔ诖颂幒驼f明書的下文中，聚碳酸酯被理解為一種聚酯。在包含硬的聚碳酸酯嵌段的TPC或TPU中，硬嵌段由衍生自至少一種亞烷基二醇和至少一種芳族二元羧酸或其酯的重復(fù)單元組成。亞烷基通常包含2-6個(gè)碳原子，優(yōu)選地 2-4個(gè)碳原子。優(yōu)選地，可用作亞烷基二醇的是乙二醇、丙二醇，并且特別是丁二醇。對(duì)苯二甲酸、2，6_萘二甲酸和4，4’_聯(lián)苯二羧酸非常適合用作芳族二元羧酸。也可以使用這些二元羧酸和/或其他二元羧酸(諸如間苯二甲酸)的組合。它們的作用是影響結(jié)晶行為，例如硬聚酯嵌段的熔點(diǎn)。最優(yōu)選地，硬嵌段是聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯。TPC或TPU中的軟嵌段由上述Tg低于35°C的柔性聚合物組成。原則上，上述聚合物都可以用作軟嵌段。同樣醚、酯、丙烯酸酯、烯烴和硅氧烷的共聚物也可用作軟聚合物嵌段，只要軟聚合物嵌段的Tg低于35°C。優(yōu)選地，軟嵌段包含聚酯或聚醚；更優(yōu)選地是脂肪族聚酯或聚醚。包含聚酯或聚醚軟嵌段的TPC或TPU特有的優(yōu)點(diǎn)是脂肪族聚酯和聚醚的具有化學(xué)穩(wěn)定性高的特征。特別地，碳酸亞烷基酯和脂肪族聚醚優(yōu)選作為軟嵌段，這將使得TPC或TPU具有特別低的濕度敏感性和良好的粘附性。優(yōu)選地，TPC或TPU中的軟嵌段衍生自至少一種碳酸亞烷基酯和可選地由衍生自脂肪族二醇和脂肪族二元羧酸的重復(fù)單元制成的聚酯。碳酸亞烷基酯可以由式表示
權(quán)利要求
1.一種用于植入兩根相鄰椎骨之間的脊柱融合器，其中在負(fù)荷下整個(gè)融合器的最大壓縮高于所述脊柱融合器的初始高度的0. 05%，并且最大壓縮不會(huì)改變所述融合器的結(jié)構(gòu)完整性。
2.如權(quán)利要求1所述的脊柱融合器，其中最大壓縮低于所述脊柱融合器的初始高度的 12%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的脊柱融合器，其包含生物穩(wěn)定的聚合物材料。
4.如權(quán)利要求3所述的脊柱融合器，其中所述聚合物材料的拉伸模量低于3500MPa。
5.如權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器，其中所述融合器包含發(fā)泡的聚合物材料。
6.如權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器，其中存在多于一種的聚合物材料，以及-至少一種聚合物材料的拉伸模量介于0. 001和< 1. OGI^a之間；-至少一種另外的聚合物材料的拉伸模量高于其他聚合物材料的拉伸模量；-所述聚合物材料相互化學(xué)或物理連接。
7.如權(quán)利要求6所述的脊柱融合器，其中所述另外的聚合物材料的拉伸模量介于1.0 和20GPa之間。
8.如權(quán)利要求7所述的脊柱融合器，其中拉伸模量介于1.0和20GI^之間的所述聚合物材料是聚酯。
9.如權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器，其中拉伸模量介于0.001和 < 1. OGI^a之間的所述聚合物材料是具有聚酯硬嵌段的熱塑性彈性體材料。
10.如權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器，其中所述聚合物材料以一個(gè)或多個(gè)材料層的形式存在。
11.如權(quán)利要求6-10中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器，其中所述聚合物材料以多個(gè)材料層的形式存在，并且具有較高拉伸模量的所述聚合物材料被插入兩個(gè)拉伸模量介于0. 001 和< l.OGI^a之間的所述聚合物材料的層之間。
12.用于制備權(quán)利要求6-11中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器的方法，其中通過多組分模塑成型將不同的聚合物材料結(jié)合在一起。
13.包含權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器的脊柱融合系統(tǒng)。
14.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其還包含聚合物材料棒。
15.一種用于治療哺乳動(dòng)物的脊柱的方法，其包括將權(quán)利要求1-11中任意一項(xiàng)所述的脊柱融合器插入包含退變性、損傷或缺失脊椎盤的脊柱區(qū)域中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于植入兩根相鄰椎骨之間的脊柱融合器，其中在負(fù)荷下整個(gè)融合器的最大壓縮高于脊柱融合器初始高度的0.05％，并且最大壓縮不會(huì)改變?nèi)诤掀鞯慕Y(jié)構(gòu)完整性。
文檔編號(hào)A61L27/18GK102341131SQ201080010637
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月5日
發(fā)明者德特萊夫·歐拉夫·亞歷山大·舒曼, 萊昂·史密特, 達(dá)倫·唐納德·歐泊利吉克特, 雅各布·科恩 申請(qǐng)人:帝斯曼知識(shí)產(chǎn)權(quán)資產(chǎn)管理有限公司