專利名稱:纖維狀骨填料及其生產(chǎn)工藝的制作方法
本發(fā)明涉及填補(bǔ)骨缺損或空洞的骨填料。
骨折或切除骨瘤手術(shù)可能會(huì)形成骨缺損或空洞。為了填補(bǔ)這種骨缺損或空洞，通常采用自體移植術(shù)，即用患者身體內(nèi)其他部位的骨料來(lái)進(jìn)行填補(bǔ)。有時(shí)骨料也取自患者的近親。但是，采用這些方法都必須在患者或其近親身上施行手術(shù)，以取得骨料作填補(bǔ)缺損或空洞之用。因此，對(duì)患者或其近親是一個(gè)很大的負(fù)擔(dān)。此外，當(dāng)需填補(bǔ)的骨缺損或空洞很大時(shí)，就難以得到足夠量的骨料。
為解決此問(wèn)題，已經(jīng)研制了人造骨填料。已知的作為骨填料的材料包括金屬和陶瓷。從生物相容性觀點(diǎn)來(lái)看，這些材料中以磷酸鈣基化合物為最好。在磷酸鈣基化合物中，羥基磷灰石特別優(yōu)越，因它是骨骼的一種成份。通常用的羥基磷灰石骨填料有顆粒狀、粉末狀(日本專利公開(kāi)Japanese Patent Disclosure(Kokai)NO.54841/81)或纖維狀(日本專利公開(kāi)Japanese Patent Disclosure(Kokai)NO.57-117621)。顆粒狀或粉末狀骨填料的缺點(diǎn)是不便于手術(shù)操作。至于纖維狀骨填料，雖然其操作比顆粒狀或粉末狀容易，但是當(dāng)纖維材料在進(jìn)行熔融紡絲時(shí)，羥基磷灰石中的羥基會(huì)發(fā)生分解，以致降低其生物相容性。
本發(fā)明的目的在于提供一種骨填料，它具有優(yōu)異的生物相容性;易于操作;并適用于填入復(fù)雜形狀的骨缺損或空洞中。
本發(fā)明的這一目的及其他目的，可通過(guò)生產(chǎn)一種含有完整羥基磷灰石的纖維狀骨填料來(lái)達(dá)到。這里“完整”一詞的含意是指羥基磷灰石基本上保留其所含之羥基。本發(fā)明的骨填料最好是呈無(wú)紡織物狀、棉絮狀、脫脂棉狀或粗紗狀。
因?yàn)楸景l(fā)明的骨填料含有“完整”的羥基磷灰石，故其生物相容性非常好，而且無(wú)排斥反應(yīng)，也不出現(xiàn)巨細(xì)胞。此外，由于這種骨填料是纖維狀的，故可將其填入復(fù)雜形狀的骨缺損或空洞中。因此，手術(shù)操作容易，并且與缺損或吻合得很好。再者，由于這種骨填料具有促進(jìn)骨生長(zhǎng)的能力，所以骨缺損或空洞的修復(fù)時(shí)間要比常規(guī)法更短。而且，由于本發(fā)明的骨填料含有完整的羥基磷灰石，所以當(dāng)新的骨組織生成時(shí)，它能很好地被吸收，并成為骨骼的一部分。
附圖是描述本發(fā)明的骨填料生產(chǎn)工藝的示意圖。
如上所述，如果羥基磷灰石是經(jīng)熔融紡絲而成為纖維狀時(shí)，羥基磷灰石中至少有一部分羥基發(fā)生分解，以致骨填料的生物相容性降低。本發(fā)明研究出一種生產(chǎn)工藝，可以得到含有完整羥基磷灰石的纖維，使羥基磷灰石基本上保留了其全部羥基。這種完整羥基磷灰石纖維可由使用特殊粘合劑的溶液紡絲法得到，此方法將在下面予以詳述。
本發(fā)明的纖維狀骨填料的纖維含有完整的羥基磷灰石。羥基磷灰石的含量最好是25%(重量)，50%(重量)更佳。因?yàn)榱u基磷灰石是骨骼的一種成分，從生物相容性觀點(diǎn)來(lái)看，基本上是由完整的羥基磷灰石組成的纖維是最適宜的。但應(yīng)指出，如果纖維基本上是由羥基磷灰石組成，其強(qiáng)度會(huì)降低。因此，為了增加纖維的強(qiáng)度，可在纖維中摻入增強(qiáng)材料，例如磷酸鈣基化合物和水玻璃。從生物相容性觀點(diǎn)來(lái)看，最好以磷酸鈣基化合物作為增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料在纖維中的含量通常是25%(重量)或更低。骨填料中可以含水，其水含量通常是50%(重量)或更低。
本發(fā)明的骨填料的纖維，其直徑?jīng)]有限制，但一般為1至30微米，最好是1至10微米。本發(fā)明的纖維狀骨填料的重量也沒(méi)有限制，但通常是5克/米2至500克/米2。
本發(fā)明的纖維狀骨填料可由使用特殊粘合劑的溶液紡絲法制備。此粘合劑對(duì)人體應(yīng)當(dāng)是無(wú)害的，而且最好是水溶性的。可優(yōu)先選用能滿足這些條件的高分子物質(zhì)。在這些可作粘合劑使用的水溶性高分子物質(zhì)中，以聚乙烯醇、聚羧甲基纖維素、羥基丙基纖維素、膠原、支鏈淀粉和幾丁質(zhì)等為宜。其中支鏈淀粉最好。高分子物質(zhì)的分子量最好是20，000至2，000，000，而50，000至1，000，000尤好。這些高分子物質(zhì)可以單獨(dú)使用或組合使用。
作為生產(chǎn)原料的羥基磷灰石最好呈超細(xì)微粒狀。這些超細(xì)微粒最好是條形，直徑在5毫微米至1微米為宜。這種羥基磷灰石微?？捎墒熘某Ｒ?guī)方法制備。例如，將磷酸水溶液加到含有鈣離子的堿性溶液(PH7-11)中，就能產(chǎn)生羥基磷灰石細(xì)粒。
在本發(fā)明的纖維狀骨填料的生產(chǎn)工藝中，用含有上述粘合劑和羥基磷灰石的水懸浮液為原料。水懸浮液中含水量以10-90%(重量)為好，50-70%(重量)更好，尤以60-65%(重量)為最好。懸浮液中羥基磷灰石含量以5-70%(重量)為好，15-30%(重量)更好，尤以15-20%(重量)為最好。懸浮液中粘合劑含量以5-40%(重量)為好，15-30%(重量)更好，尤以20-25%(重量)為最好。如果羥基磷灰石含量少于5%(重量)，則所得到的纖維狀材料的強(qiáng)度低;若羥基磷灰石的含量大于70%(重量)，則水懸浮液的粘度變得過(guò)高而不合需要。
為提高懸浮液的流動(dòng)性以改善羥基磷灰石的分散性，需要時(shí)可在懸浮液中加入碳酸基表面活性劑，增塑劑和/或軟化劑。也可加入消泡劑。這些試劑的含量一般是0.01-5%(重量)。當(dāng)使用上述增強(qiáng)材料時(shí)，應(yīng)將這些增強(qiáng)材料分散于懸浮液中。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)增強(qiáng)材料是Ca3(PO4)2時(shí)，它能在下面要描述的燒結(jié)步驟中形成。
水懸浮液可在約20-70℃溫度下制備。
下面將參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的纖維狀骨填料的生產(chǎn)工藝，其原料為上述的懸浮液。
水懸浮液經(jīng)進(jìn)料管1進(jìn)入罐2。然后將懸浮液送至噴絲嘴5，并借齒輪泵4將其從嘴中噴出，齒輪泵由馬達(dá)3驅(qū)動(dòng)?？諝饨?jīng)鼓風(fēng)機(jī)6進(jìn)入環(huán)繞噴絲嘴5的噴氣嘴7，并由噴氣嘴7噴出。氣流速度約為5至1000米/秒，空氣溫度約為20至60℃?？刹捎脟娊z嘴和噴氣嘴的組合裝置，噴氣嘴可成排分布或環(huán)形分布。由于水懸浮液和空氣同時(shí)噴射，所以水懸浮液將形成一束細(xì)纖維8。纖維的直徑可通過(guò)控制空氣速度來(lái)調(diào)節(jié)，一般約為1至30微米，最好是1至10微米?？諝馑俣仍礁撸w維直徑就越細(xì)。當(dāng)空氣速度為1000米/秒時(shí)，所得纖維之直徑約為1微米。當(dāng)空氣速度為300米/秒和30米/秒時(shí)，纖維直徑分別為約3-5微米和20微米。
所生成的細(xì)纖維束8在加熱器9中干燥。加熱器9可以是紅外加熱器、遠(yuǎn)紅外加熱器或微波加熱器。纖維束在加熱器9中干燥和固化，其含水量減少至10%(重量)或更少，最好是7%(重量)或更少。如果干燥不夠充分，則可能得不到由細(xì)纖維組成的纖維狀材料。加熱溫度根據(jù)噴絲嘴5噴出物料的流量、空氣流的溫度以及空氣的流量而改變。加熱器9的溫度范圍通常約為200至500℃(纖維束溫度約為80至150℃)。如果加熱溫度太高，則粘合劑有可能分解。
經(jīng)干燥的纖維束收集在轉(zhuǎn)動(dòng)的集料器11中，纖維束以交叉方向進(jìn)入集料器，從而得到纖維狀材料。集料器11可以是金屬網(wǎng)滾筒或金屬網(wǎng)帶。最好使用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的金屬網(wǎng)滾筒。如果纖維束進(jìn)入兩個(gè)滾筒的接觸部分，就可得到體積很大的、呈三維分布的纖維材料，即棉絮狀或脫脂棉狀的纖維材料。如果纖維束進(jìn)入滾筒的非接觸部分，就可得到平面的、呈二維分布的纖維材料，即無(wú)紡織物狀的纖維材料。使用環(huán)形分布的一組噴絲嘴時(shí)，得到粗紗狀的纖維材料。控制集料器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，可以得到重量為5克/米2至500克/米2的纖維材料。所生產(chǎn)的纖維材料繞于卷軸13上。
所得到的靠粘合劑粘合在一起的纖維材料最好經(jīng)燒結(jié)處理以除去粘合劑。燒結(jié)可在溫度約500至1300℃下進(jìn)行，最好約600至1200℃，在約650至1100℃時(shí)更好。如果燒結(jié)溫度高于1300℃則羥基磷灰石中的羥基可能分解。如果燒結(jié)在1100℃至1300℃溫度下進(jìn)行，則產(chǎn)生Ca3(PO4)2，從而可改善纖維強(qiáng)度。
制得的纖維狀骨填料可以填補(bǔ)于骨骼的缺損或空洞中。當(dāng)纖維狀骨填料與顆粒狀或粉末狀羥基磷灰石填料配合使用時(shí)，也可獲得很好的結(jié)果。如將填料浸漬于水、生理鹽水、軟骨素溶液、透明質(zhì)酸溶液或膠原溶液中，則骨填料的生物相容性可進(jìn)一步提高。浸漬液量一般約為1至20%(重量)，最好是5至10%(重量)。軟骨素溶液、透明質(zhì)酸溶液和膠原溶液的溶劑最好是水，溶液濃度最好約為1至20%(重量)。如果需要，纖維狀骨填料的厚度可經(jīng)壓延處理加以控制。這種經(jīng)壓延過(guò)的纖維材料在水、生理鹽水、軟骨素溶液、透明質(zhì)酸溶液或膠原溶液中浸漬后，其生物相容性也可提高。
例1含有9%(重量)的平均分子量為200，000的支鏈淀粉、42%(重量)的羥基磷灰石粉末(顆粒直徑為5至80毫微米)、1%(重量)的分散劑(碳酸基表面活性劑)以及48%(重量)的水的懸浮液，在室溫下進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，使支鏈淀粉均勻地分散于水溶液體系中。該水懸浮液進(jìn)行消泡處理后，由直徑為0.3毫米的噴絲嘴噴出。同時(shí)，空氣從環(huán)繞噴絲嘴的噴氣嘴中以300米/秒的速度噴出，以形成纖維束。然后，纖維束經(jīng)紅外加熱器加熱，使水份蒸發(fā)。干燥后的纖維束進(jìn)入兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的金屬網(wǎng)滾筒的接觸部分，從而得到棉絮狀纖維材料。這種棉絮狀羥基磷灰石纖維材料在升溫速度為50℃/小時(shí)，并升溫至1100℃的條件下進(jìn)行燒結(jié)，并在此溫度下保持2小時(shí)。
所得之棉絮狀纖維材料的重量約為200克/米2，并具有足夠的強(qiáng)度。構(gòu)成此種棉絮的纖維的直徑為5微米。
在12支貓(公的和母的)的脛骨的中間部位，沿著骨頭的縱向鉆兩個(gè)洞，以形成人為骨缺損。將上面所得的纖維狀骨填料填充于這些空洞中，直至骨髓腔。
進(jìn)行骨填料填補(bǔ)手術(shù)后1星期、2星期和4星期時(shí)，相繼分離出空洞周圍的骨組織，并立刻用10%的福爾馬林溶液將其定形。除渣后，將其包埋于樹(shù)脂中，制成剖面。用不同的染色法將剖面染色以制備病理標(biāo)本。用顯微鏡觀察所得之標(biāo)本，結(jié)果如下1星期后在與羥基磷灰石填料接觸的海綿層部位，生長(zhǎng)了成纖維細(xì)胞，而且產(chǎn)生了新骨束和成骨細(xì)胞。羥基磷灰石與骨皮質(zhì)的粘結(jié)稀疏。只有部分骨膜侵入羥基磷灰石。在羥基磷灰石周圍未觀察到異體膜。
2星期后海綿層中新骨束的增殖、骨皮質(zhì)斷口處成骨細(xì)胞的成骨作用和生長(zhǎng)非常顯著。羥基磷灰石比1星期時(shí)的樣品更加密實(shí)。骨膜已基本上將整個(gè)羥基磷灰石包蓋住。骨皮質(zhì)和羥基磷灰石彼此之間已由骨膠原纖維牢固地粘結(jié)在一起。完全觀察不到巨細(xì)胞的生殖及其他異體反應(yīng)。
4星期后羥基磷灰石已收斂，纖維間的間隙變小。海綿層中的成骨作用進(jìn)一步增長(zhǎng)。骨皮質(zhì)斷口處的成骨作用也進(jìn)一步增長(zhǎng)。骨膠原纖維侵入羥基磷灰石。骨膜完全將羥基磷灰石復(fù)蓋住。
如上所述，使用本發(fā)明的骨填料，在羥基磷灰石填料填補(bǔ)后僅一星期，就可觀察到成纖維細(xì)胞的生長(zhǎng)以及骨束和成骨細(xì)胞的產(chǎn)生。如果使用通常的填料，這些現(xiàn)象在填補(bǔ)填料后1至3個(gè)月才能觀察到。此外，使用本填料未發(fā)生異體反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，成骨細(xì)胞的成骨作用和生長(zhǎng)很快加速，以致全部復(fù)蓋羥基磷灰石。同時(shí)，新生的骨組織與人為缺損處的周圍部分的骨組織迅速地一體化。所以，本發(fā)明的骨填料與通常的羥基磷灰石填料相比，具有更高的生物相容性，并具有促進(jìn)成骨作用的能力。
例2將例1中所得之棉絮狀羥基磷灰石填料與羥基磷灰石粉末(直徑為20至100微米的球形粒子，并于700℃下進(jìn)行過(guò)燒結(jié))，以重量比為5∶1相混合，并按例1進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果同例1。
例3
按例1制得平均直徑為10微米的棉絮狀纖維羥基磷灰石，按例1方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果同例1。
例4在按例1所得的羥基磷灰石填料中加入水或生理鹽水，所得之濕的羥基磷灰石填料按例1進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果同例1。
例5在例1、例2和例3的骨填料中分別加入濃度為20%(重量)的軟骨素水溶液，加入量為填料的20%(重量)。所得之填補(bǔ)料按例1進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果也同例1。
例6在例1、例2和例3的骨填料中分別加入了濃度為20%(重量)的膠原水溶液，加入量為填料的20%(重量)。所得之填料按例1進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果同例1。
權(quán)利要求
1.一種纖維狀骨填料，它包括含有完整羥基磷灰石的纖維。
2.權(quán)利要求
1的纖維狀骨填料，其中完整羥基磷灰石在纖維中的含量至少為25%。
3.權(quán)利要求
2的纖維狀骨填料，其中完整羥基磷灰石在纖維中的含量至少為50%。
4.權(quán)利要求
3的纖維狀骨填料，其中纖維基本上由完整羥基磷灰石組成。
5.權(quán)利要求
1的纖維狀骨填料，其中骨填料呈無(wú)紡非織物狀、棉絮狀、脫脂棉狀或粗紗狀。
6.權(quán)利要求
1的纖維狀骨填料，其中纖維含有增強(qiáng)材料。
7.權(quán)利要求
6的纖維狀骨填料，其中增強(qiáng)材料是Ca3(PO4)2。
8.權(quán)利要求
1的纖維狀骨填料，其中纖維的直徑約為1至30微米。
9.權(quán)利要求
8的纖維狀骨填料，其中纖維的直徑約為1至10微米。
10.一種生產(chǎn)權(quán)利要求
1的纖維狀骨填料的生產(chǎn)工藝，包括下列步驟將含有羥基磷灰石和粘合劑的水溶液制成纖維;將纖維收集于轉(zhuǎn)動(dòng)的表面上以得到纖維狀骨填料。
11.權(quán)利要求
10所述的生產(chǎn)工藝，還包括收集纖維之前使纖維加熱干燥的步驟。
12.權(quán)利要求
11所述的生產(chǎn)工藝，還包括將所得之纖維狀骨填料進(jìn)行的燒結(jié)步驟。
13.權(quán)利要求
10所述的生產(chǎn)工藝，其中水溶液中含水10至90%(重量)、含羥基磷灰石5至70%(重量)，含粘合劑5至40%(重量)。
14.權(quán)利要求
13所述的生產(chǎn)工藝，其中水溶液中含水50至70%(重量)、含羥基磷灰石15至30%(重量)，含粘合劑15至30%(重量)。
15.權(quán)利要求
14所述的生產(chǎn)工藝，其中水溶液中含水60至65%(重量)、含羥基磷灰石15至20%(重量)，含粘合劑20至25%(重量)。
16.權(quán)利要求
10所述的生產(chǎn)工藝，其中粘合劑選自聚乙烯醇、羧甲基纖維素、羥基丙基纖維素、膠原、支鏈淀粉和幾丁質(zhì)等化合物。
17.權(quán)利要求
16所述的生產(chǎn)工藝，其中粘合劑是幾丁質(zhì)。
18.權(quán)利要求
16所述的生產(chǎn)工藝，其中粘合劑的分子量是20，000至2，000，000。
19.權(quán)利要求
18所述的生產(chǎn)工藝，其中粘合劑的分子量是50，000至1，000，000。
20.權(quán)利要求
12所述的生產(chǎn)工藝，其中燒結(jié)溫度為500至1300℃。
21.權(quán)利要求
20所述的生產(chǎn)工藝，其中燒結(jié)溫度為600至1200℃。
22.權(quán)利要求
21所述的生產(chǎn)工藝，其中燒結(jié)溫度為650至1100℃。
專利摘要
一種具有優(yōu)異的生物相容性的纖維狀骨填料。此種骨填料含有羥基磷灰石纖維。這種羥基磷灰石是“完整”的，即羥基磷灰石基本上保留其所含之羥基。
文檔編號(hào)A61L27/12GK87102602SQ87102602
公開(kāi)日1988年2月24日 申請(qǐng)日期1987年3月20日
發(fā)明者森省一, 藤井茂夫, 吉沢昌夫, 宮坂健司, 田渕丈一, 江川和文, 平野實(shí), 吉田義一 申請(qǐng)人:東亞燃料工業(yè)株式會(huì)社, 旭光學(xué)工業(yè)株式會(huì)社，導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan