一种骨科植入体及制备方法与流程

本发明属于骨科植入材料，具体涉及一种骨科植入体及制备方法。

背景技术：

1、典型骨在不同长度尺度下为分层多级结构。其分级结构由五个尺度组成：第一个尺度规模为最大的宏观结构，其中包括皮质骨和松质骨。第二个是尺度范围为10到500µm，由骨小梁单骨或骨单位构成微观结构组织。骨单位或哈弗斯系统由围绕着圆柱形结构的哈佛氏中央管的同心层或层围绕而成。这条管道提供血液供应并为周围骨组织的神经提供连接。第三个是尺度范围从1到10µm的亚微观结构，包含形成的骨的基本结构单元的薄板状结构。第四规模为纳米结构，其范围的大小从500 nm到1µm不等，包含植入矿物的胶原纤维为主的胶原纤维组件。最小的尺度是亚纳米结构，覆盖尺度范围位500nm及以下。这种尺寸范围包括单个元素的分子结构，如胶原蛋白分子、骨矿物晶体和非胶原蛋白有机蛋白质。

2、人体骨组织大部分均为多密质骨包裹具有孔网状结构的松质骨的复杂结构。这种多孔网状结构主要为开口孔的骨杆以及密集的闭孔骨板，为人体长入新骨、生成血管以及输送营养物质提供了有利条件。因此，从仿生角度出发，在骨植入体表面构建具有与人骨类似或者相近的微观多孔结构称为植入体表面改性的研究热点。骨植入体表面多孔结构具有以下优势：

3、贯通的开孔增大了植入体与人骨接触的面积，从而有利于与骨组织更为稳固的机械锁合。

4、多孔结构为新骨长入提供了有利条件，并进一步对骨组织进行生物固定，对成骨细胞、干细胞的前一以及增殖等行为起到了进一步的促进作用，同时促进了细胞外基质沉积，提升骨诱导性能。

5、开放的贯通多孔为植入体表面血管的形成创造了有利条件，从而能为周围的骨组织输送营养以及氧气，代谢废物。在愈合过程中，植入体表面的孔隙能够作为治愈腔，对生物学响应起到一定的促进作用，并且逐步转变为有益于细胞迁移的结缔组织。

6、有研究发现，当孔隙大小低于40µm时，在多孔结构中只有结缔组织形成；孔隙大小在40-100µm时，孔隙中可以形成类骨质；而只有当孔隙为大于100µm的大孔时，才能够为骨组织的矿化以及骨组织的长入提供有利条件。但是近几年来，对新骨长入的孔隙尺寸要求也出现了其他不同的报道。white等人认为，孔径大小低于10µm的仅仅允许细胞的进入，孔径大小在15-50µm范围内则能够形成纤维组织；新骨长入的孔径尺寸为大于150µm的大孔。

7、普通等离子体喷涂技术所制备的多孔涂层，其孔径大小一般小于100µm，新骨组织很难长入，因此，植入体与宿主人体骨组织间一般通过结缔组织结合，整合强度不高。此种结合，由于血管不能长入，不能进行营养的输送和代谢产物的排出，因此，植入体的长期稳定性不佳。

8、金属钽在人体体液环境中非常稳定，具有极佳的生物相容性，是一种理想的骨植入材料。然而钽具有相对较高的密度（16.65 g/cm3）和较大的弹性模量（185.7 gpa），作为骨植入材料，与人皮质骨的弹性模量（7~30 gpa）相差较大，与植入部位骨组织之间存在弹性模量不匹配的问题，会造成植入部位应力屏蔽，引起骨质的吸收和萎缩，同时，也易造成植入体的应力集中，从而导致骨折部位断裂失效。

技术实现思路

1、针对现有骨植入体表面等离子体喷涂涂层不具有100微米以上贯通孔管，不利于营养输送和骨组织长入，从而造成植入体与自然骨组织间骨整合状况不理想等情况，本发明专利综合利用掩模技术与等离子体喷涂技术，在金属植入体表面制备具有100微米以上贯通孔管，有效解决植入体骨整合过程中的营养输送问题，充分促进自然骨组织长入植入体内部，有利于形成长期稳定的机械咬合。

2、本发明的第一方面是提供一种骨科植入体，包括基材和形成于基材上的图案化钽涂层；基材采用符合医用植入标准的材料；图案化钽涂层内形成有尺寸大于100微米的孔结构。

3、较佳地，基材为医用金属或金属合金制件，选自钛金属制件、钛合金制件、钴铬合金制件、316l不锈钢制件中的任意一种。

4、较佳地，图案化钽涂层通过电弧等离子体喷涂技术在基材上形成，并且图案依据至少一层遮蔽模板的网状图案形成，遮蔽模板的网格单元尺寸大于100微米。

5、本发明的第二方面是提供一种骨科植入体的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤a) ：选择医用金属或金属合金作为基材，并对基材进行粗糙化和清洁预处理；

7、步骤b) ：在预处理后的基材表面覆盖一层具有预定图案的遮蔽模板，遮蔽模板具有网格图案，网格图案的单元尺寸大于100微米；

8、步骤c) ： 采用电弧等离子体喷涂技术，在遮蔽模板的引导下喷涂粒径为400至800目的钽粉，形成具有与遮蔽模板上网格图案对应的第一层钽涂层，其中等离子体气体流量为ar 25至35 l/min和h23至8 l/min，粉末载气流量为ar 1至3 l/min，喷涂距离为130至260mm，喷涂电流为450至650a；移除遮蔽模板，得到骨科植入体。

9、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，在步骤a) 中，对基材进行粗糙化和清洁预处理，包括通过喷砂处理增加表面粗糙度，以及使用清洗剂清去除表面油脂和附着颗粒物。

10、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，在步骤c)后还包括步骤d)；

11、步骤d) ：通过重复步骤b)和c)，在基材表面构建多层钽涂层结构，每层钽涂层结构通过改变遮蔽模板的位置、角度和/或图案实现与上一层的错位排列，形成具有孔管结构的多孔钽涂层。

12、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，在基材表面构建的多层钽涂层结构为2~5层钽涂层结构，相邻两层钽涂层的遮蔽模板以45±3°的旋转角度错位布置，从而在相邻涂层间形成孔管结构。

13、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，遮蔽模板金属钛网，金属钛网上具有阵列布置的正方形贯通孔，每一正方形贯通孔的边长为100-200微米，每一正方形贯通孔之间的间距为60-150微米；较优地，每一正方形贯通孔的边长为160-200微米，每一正方形贯通孔之间的间距为100-150微米。

14、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，在步骤d) 中，多次喷涂过程中，在上一层钽涂层的孔内填充聚乙烯醇进行占位，然后再进行下一层钽涂层的喷涂，直至完成所有钽涂层的叠加后再去除填充的聚乙烯醇，形成具有孔管结构的多孔钽涂层。

15、作为上述骨科植入体制备方法的进一步优化方案，制备层钽涂层过程中填充的聚乙烯醇采用水溶并配合超声振荡去除。

16、有益效果

17、本发明的制备方法成功地在骨科植入体表面形成了大于100微米的通孔和孔道结构，利于促进骨组织矿化与长入，这样的大孔结构为骨细胞提供了足够的空间进行迁移、分化，并形成新的骨质，从而加速骨整合过程，提高植入体的稳定性和长期效果。大孔结构还能改善植入体与宿主骨之间的机械互锁效应，使得应力能够更均匀地分布在界面区域，减少应力集中现象，从而降低植入体松动或断裂的风险，提高整体的生物力学稳定性。

18、本发明的制备方法实现了具有高粗糙度的多孔钽涂层，涂层不仅表面积大，还形成了多层且相互错位的开放孔道结构，进一步促进了细胞粘附与生长，同时确保了内部孔道的连通性，为骨组织提供了更加理想的生长环境。

19、本发明的制备方法通过使用不同形状、大小的遮蔽模板，能够精确控制涂层的图案特征，如方形、圆形等，以及孔径大小，从而根据临床需求定制化设计植入体表面，以适应不同部位或个体的治疗需要。

20、本发明的制备方法还采用pva填充孔隙的策略在多层喷涂过程中保持孔道开放性，确保了最终涂层结构的三维连通性和大孔结构的完整性，为骨组织的深入生长提供了更连续的通道，从而极大优化了植入体的生理功能和长期性能。

21、制得的骨科植入体表面多孔钽涂层的孔道结构提供了丰富的骨组织长入空间，粗糙表面及图案化的钽涂层还提升了人骨髓干细胞的粘附与增殖能力，再加上优良的生物学相容性的共同配合，显著延长了植入体的使用寿命，减少了植入失败的风险，增加了植入体在体内的稳定性和耐久性。