承载模块化陶瓷的金属假体及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，特别涉及一种承载模块化陶瓷的金属假体及其制备方法。

背景技术

骨骼是人体支撑结构，小范围的骨组织损伤具有自身修复能力，而大于20毫米的骨缺损完成自身修复骨就很难，需要使用骨替代材料进行治疗。对于交通事故和骨肿瘤常常造成的巨大骨缺损，包括大段骨缺损(长度＞6cm)、极限骨缺损(长度为6cm～12cm)和超极限骨缺损(长度＞12cm)，但是由于长节段力学结构重建和组织再生匹配的世界难题，导致绝大部分患者只能进行截肢。

随着生物材料和增材制造的快速发展，给巨大骨缺损患者带来了治愈的希望。通过3D打印、组织工程和生物制造等多项技术的组合，实现巨大骨缺损的治疗目标。通过多材料、多结构、多形态、多技术组合的协调和匹配，对骨和关节进行体内重建或再造，实现肢体保全和功能恢复。

其中，单纯采用金属假体骨长入非常困难，宿主骨与金属界面难以实现有效整合；而单纯采用多孔生物陶瓷骨修复体能解决上述两个难题，但此材料的力学局限性使得很难适合巨大骨缺损重建要求；而采用金属支架与陶瓷同时烧结形成金属假体的方法会产生高温氧化效应，严重影响金属的力学性能以及陶瓷与金属界面分离等难题。

因此，需要对现有的制造金属假体的方法进行改进，以实现巨大骨缺损的结构和功能重建。

发明内容

本发明的目的在于提供一种承载模块化陶瓷的金属假体及其制备方法，使得能够实现模块化生物陶瓷块与金属支架之间的精准有效匹配，从而实现巨大骨缺损的结构和功能重建。

为实现上述目的，本发明提供了一种承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法，包括：

步骤S1，制备金属支架；

步骤S2，制备模块化生物陶瓷块；

步骤S3，将至少两个所述模块化生物陶瓷块逐个安装和固定于所述金属支架上，以形成承载模块化陶瓷的金属假体。

可选地，在所述步骤S1中，根据患者骨缺损的影像学数据，建立有限元分析模型，以拓扑数学原理设计所述金属支架的力学结构和材质选用。

可选地，采用3D打印、注模成型、锻造和机械切削方法中的至少一种制备所述金属支架。

可选地，所述金属支架的材质包括金及其合金、银及其合金、铜及其合金、铁及其合金、钛及其合金、钽及其合金、铝及其合金、镁及其合金中的至少一种。

可选地，所述金属支架的材料结构为多孔、致密或多孔与致密相结合。

可选地，在所述步骤S2中，根据所述金属支架的形貌、尺寸以及所述模块化生物陶瓷块表面和内部结构的要求设计所述模块化生物陶瓷块。

可选地，采用3D打印、模压成型、注浆成型和挤出成型方法中的至少一种制备所述模块化生物陶瓷块。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的材质包括羟基磷灰石及其掺杂物、磷酸三钙及其掺杂物、氧化铝及其掺杂物、氧化锆及其掺杂物、二氧化钛及其掺杂物、铝镁尖晶石及其掺杂物中的至少一种。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的结构为多孔陶瓷、致密陶瓷或多孔与致密复合陶瓷。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的形状为三维几何形，包括圆柱体、四边形柱、六边形柱或解剖形。

可选地，所述模块化生物陶瓷块为等腰楔形体或非等腰楔形体。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的两端面上形成有至少一个榫头和/或至少一个榫眼；在所述承载模块化陶瓷的金属假体中，含有所述榫头的模块化生物陶瓷块与含有所述榫眼的模块化生物陶瓷块之间，通过所述榫头和所述榫眼相互坎入连接。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的两端面上形成有至少一个榫眼，通过至少一个钉销坎入所述榫眼，使得至少两个所述模块化生物陶瓷块连接为一体。

可选地，所述榫头上和所述钉销的两端含有至少一个半圆形或倒锥形的防松动和防脱离结构。

可选地，通过生物胶和骨水泥将至少两个所述模块化生物陶瓷块粘合固定为一体。

可选地，所述模块化生物陶瓷块中形成有至少一个对穿连通孔道；在所述承载模块化陶瓷的金属假体中，通过至少一个钉栓穿过所述对穿连通孔道，使得至少两个所述模块化生物陶瓷块串联为一体。

可选地，所述金属支架为至少一个立柱和至少两个横向或斜向连接柱形成的一体化三维框架结构，至少两个所述模块化生物陶瓷块安装和固定于所述金属支架内。

可选地，所述立柱与所述连接柱的连接方式包括一体制造、挤压坎入、热熔焊接和螺丝固定中的至少一种。

可选地，所述立柱和/或所述连接柱上设置有至少一个螺孔，所述螺孔用于拧入螺钉，使得所述模块化生物陶瓷块被固定在所述金属支架中。

可选地，所述金属支架上形成有与宿主骨连接的固定结构，所述固定结构包括钢板、钉眼和榫头中的至少一种。

可选地，至少两个所述模块化生物陶瓷块连接为一体结构，所述一体结构的两端分别设置有顶盘和底盘，所述一体结构通过所述顶盘和所述底盘与所述金属支架连接，所述一体结构中的模块化生物陶瓷块的侧面与所述金属支架接触或未接触。

可选地，所述顶盘与所述底盘的材料结构为多孔、致密或多孔与致密相结合；所述顶盘与所述底盘的材料为无机材料、有机材料和金属材料中的至少一种。

可选地，所述模块化生物陶瓷块的侧面形成有至少两个凹槽，以与所述立柱匹配性挤压卡入接触。

可选地，所述金属支架为至少一个立柱。

可选地，所述立柱的横断面为圆形、椭圆形、三角形、四边形或六边形，所述立柱的横径为1mm～100mm。

可选地，所述模块化生物陶瓷块中形成有至少一个对穿连通孔道，通过至少一个所述立柱穿过所述对穿连通孔道，使得至少两个所述模块化生物陶瓷块串联为一体。

可选地，所述立柱上形成有至少一个螺纹孔，所述模块化生物陶瓷块的侧面形成有至少一个横向孔，采用螺丝穿过所述螺纹孔和所述横向孔，使得所述模块化生物陶瓷块固定于所述立柱上。

可选地，通过生物胶和/或骨水泥粘合使得所述模块化生物陶瓷块固定在所述立柱上。

本发明还提供一种承载模块化陶瓷的金属假体，采用所述承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明的承载模块化陶瓷的金属假体及其制备方法，通过将至少两个模块化生物陶瓷块逐个安装和固定于金属支架上，以形成承载模块化陶瓷的金属假体，使得能够实现所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架之间的精准有效匹配，避免金属支架的高温氧化，进而使得能够充分发挥陶瓷优良成骨作用与金属坚强力学支撑作用的互补，实现巨大骨缺损的结构和功能重建。本发明的承载模块化陶瓷的金属假体能够实现个性化、精准化、标准化、系列化，为产业化奠定基础。在临床操作中更简易、更方便、更灵活、更有效，为推广应用奠定基础。

附图说明

图1是本发明一实施例的承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法的流程图；

图2是本发明一实施例的金属支架示意图；

图3是本发明一实施例的模块化生物陶瓷块示意图；

图4是本发明一实施例的承载模块化陶瓷的金属假体示意图；

图5是本发明一实施例的采用螺钉固定模块化生物陶瓷块的示意图；

图6是本发明一实施例的钉销与模块化生物陶瓷块中的榫眼和钉销的不同形态示意图；

图7是本发明一实施例的等腰楔形体的模块化生物陶瓷块结构示意图；

图8a～图8b是本发明一实施例的模块化生物陶瓷块上的榫头和榫眼的示意图；

图9是本发明一实施例的模块化生物陶瓷块间通过榫眼和钉销连接的剖面示意图；

图10是本发明一实施例的模块化生物陶瓷块和钉销的示意图；

图11是本发明一实施例的多个模块化生物陶瓷块的一体化连接示意图；

图12是本发明一实施例的模块化生物陶瓷块与金属支架之间匹配性挤压卡入接触示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下对本发明提出的承载模块化陶瓷的金属假体及其制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明一实施例提供一种承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法，参阅图1，图1是本发明一实施例的承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法的流程图，所述承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法包括：

步骤S1，制备金属支架；

步骤S2，制备模块化生物陶瓷块；

步骤S3，将至少两个所述模块化生物陶瓷块逐个安装和固定于所述金属支架上，以形成承载模块化陶瓷的金属假体。

下面更为详细的介绍本实施例提供的承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法：

按照步骤S1，制备金属支架。

所述金属支架的材质为医用金属材料，包括金及其合金、银及其合金、铜及其合金、铁及其合金、钛及其合金、钽及其合金、铝及其合金和镁及其合金中的至少一种。需要说明的是，所述金属支架的材质不仅限于上述的种类，还可包括其它符合生物相容性和相应的力学强度要求的医用金属材料。所述金属支架所采用的材料在机体内能被降解或不降解。

并且，所述金属支架的材料结构可以为多孔、致密或多孔与致密相结合。

在所述步骤S1中，根据患者骨缺损的影像学数据建立有限元分析模型，以拓扑数学原理设计所述金属支架的力学结构和材质选用。

并且，可以采用3D打印、注模成型、锻造和机械切削等方法中的至少一种制备所述金属支架。需要说明的是，制备所述金属支架的方法不仅限于上述的范围。

所述金属支架可以是假体的形态和尺寸，也可以是非假体的形态和尺寸。当所述金属支架为非假体的形态和尺寸时，可以通过将所述金属支架载入模具的方法制备所需的假体的形态和尺寸。

所述金属支架为至少一个立柱，或者，所述金属支架为至少一个立柱和至少两个横向或斜向连接柱形成的三维框架结构。

其中，若所述金属支架为三维框架结构，则所述连接柱可以为环形结构，至少两个连接柱间隔地环绕所有的立柱，且所述连接柱相对所述立柱可以横向或斜向设置，以形成三维框架结构。如图2所示，所述金属支架包括间隔设置的四个立柱11和间隔设置的三个连接柱12，三个连接柱12分别环绕四个立柱11的两端和中间，立柱11的侧面与连接柱12的内表面连接。

所述立柱与所述连接柱的连接方式可以包括一体制造、挤压坎入、热熔焊接和螺丝固定中的至少一种。

所述立柱或所述连接柱上可以设置有至少一个螺孔，或者，所述立柱和所述连接柱上均设置有至少一个螺孔，所述螺孔用于拧入螺钉，以使得模块化生物陶瓷块被固定在具有三维框架结构的所述金属支架中。如图5所示，所述立柱11和所述连接柱12上均设置有至少一个螺孔(未图示)，螺钉13拧入所述立柱11和所述连接柱12上的螺孔，以固定模块化生物陶瓷块21；其中，所述螺钉13在拧入螺孔之后，可以刚好与模块化生物陶瓷块21接触，或者也可以拧入模块化生物陶瓷块21中。需要说明的是，在其他实施例中，所述立柱和所述连接柱上也可以未设置螺纹孔。

并且，若所述金属支架为三维框架结构，则在设计所述金属支架时，还可以在所述金属支架的表面设计用于将所述金属支架固定于治疗部位的宿主骨上的固定结构，以使得所述金属支架能够安装固定于宿主骨上，形成术后的即时假体稳定性。其中，所述固定结构可以包括钢板、钉眼和榫头中的至少一种。

按照步骤S2，制备模块化生物陶瓷块。

在所述步骤S2中，可以根据所述金属支架的形貌、尺寸以及所述模块化生物陶瓷块表面和内部结构的要求设计所述模块化生物陶瓷块。所述模块化生物陶瓷块表面和内部结构的要求指用于使得所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架实现连接以及用于实现组织的长入和功能重建的要求。

在所述步骤S2中，根据设计的所述模块化生物陶瓷块，可以采用3D打印、模压成型、注浆成型、挤出成型方法中的至少一种制备所述模块化生物陶瓷块。并且，所述模块化生物陶瓷块的材质包括羟基磷灰石及其掺杂物、磷酸三钙及其掺杂物、氧化铝及其掺杂物、氧化锆及其掺杂物、二氧化钛及其掺杂物和铝镁尖晶石及其掺杂物中的至少一种，以达到生物安全性的要求。需要说明的是，用于制备所述模块化生物陶瓷块的方法和材料种类不仅限于上述的范围。所述模块化生物陶瓷块所采用的材料在机体内能被降解或不降解。

所述模块化生物陶瓷块的结构为多孔陶瓷、致密陶瓷或多孔与致密复合陶瓷。如图3和图8a所示，所述模块化生物陶瓷块21为多孔陶瓷，包含多个孔211；如图8b和图9所示，所述模块化生物陶瓷块21为致密陶瓷，所述模块化生物陶瓷块21中未形成孔。

所述模块化生物陶瓷块的直径或边长可以为1cm～5cm。需要说明的是，所述模块化生物陶瓷块的直径或边长可以不仅限于上述的范围，可以根据所述金属支架的形貌和尺寸选择合适的范围。

所述模块化生物陶瓷块的形状可以为三维几何形，包括圆柱体、四边形柱、六边形柱或解剖形等。其中，解剖形为多种形状的结合体，例如骨头的形状为解剖形。

所述模块化生物陶瓷块可以为等腰楔形体和非等腰楔形体，以解决所述模块化生物陶瓷块在所述金属支架内安装时成弧或成角的问题，在成弧或成角的所述金属支架内安装所述模块化生物陶瓷块时，使得所述模块化生物陶瓷块的界面更好地密切接触。如图2和图4所示，所述金属支架中的立柱11的中间区域成角或成弧，所述立柱11的两端成竖直状态；为了与所述金属支架进行匹配，在所述金属支架围成的空间的中间区域需要采用如图7所示的等腰楔形体的模块化生物陶瓷块21，在所述金属支架内的两端采用如图3所示的竖直状态的模块化生物陶瓷块21。

所述模块化生物陶瓷块的两端面上可以分别形成有至少一个榫头和至少一个榫眼，或者，所述模块化生物陶瓷块的两端均形成有至少一个榫头或至少一个榫眼。如图3、图9和图10所示，所述模块化生物陶瓷块21的两端面上均形成有一个榫眼212；如图8a和图8b所示，所述模块化生物陶瓷块21的两端分别形成有一个榫头213和一个榫眼212。

按照步骤S3，将至少两个所述模块化生物陶瓷块逐个安装和固定于所述金属支架上，以形成承载模块化陶瓷的金属假体。

在所述承载模块化陶瓷的金属假体中，所述模块化生物陶瓷块之间以及所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架之间可以通过榫卯结构、钉销结构、钉栓结构或胶水粘贴等方法实现连接和固定。

其中，若所有的所述模块化生物陶瓷块的两端面上形成有至少一个榫头和至少一个榫眼，或者，部分所述模块化生物陶瓷块的两端面上形成有至少一个榫头且另一部分模块化生物陶瓷块的两端面上形成有至少一个榫眼，则在所述承载模块化陶瓷的金属假体中，含有所述榫头的模块化生物陶瓷块与含有所述榫眼的模块化生物陶瓷块之间，通过所述榫头和所述榫眼相互坎入连接，榫头与榫眼的形状匹配。如图8a和图8b所示，一个所述模块化生物陶瓷块21上的榫头213与另一个所述模块化生物陶瓷块21上的榫眼212相互坎入连接，使得两个所述模块化生物陶瓷块21连接为一体。并且，所述榫头上可以含有至少一个半圆形或倒锥形的防松动和防脱离结构，以避免榫头从榫眼中掉出。

或者，若所述模块化生物陶瓷块的两端面上均形成有至少一个榫眼，也可以通过至少一个钉销坎入所述榫眼使得至少两个所述模块化生物陶瓷块连接为一体，此时，榫眼与钉销的形状匹配。如图9和10所示，钉销22的两端坎入两个所述模块化生物陶瓷块21上的榫眼212中，使得两个所述模块化生物陶瓷块21连接为一体。并且，所述钉销的两端可以含有至少一个半圆形或倒锥形的防松动和防脱离结构。如图6、图9和图10所示，钉销22的形状包含了圆柱体、四边形柱或六边形柱等；且钉销22的两端均含有防松动和防脱离结构221，以在防松动和防脱离结构221坎入榫眼212中之后，避免防松动和防脱离结构221从榫眼212中掉出。

或者，所述模块化生物陶瓷块中形成有至少一个两端连通的对穿连通孔道；在所述承载模块化陶瓷的金属假体中，通过至少一个钉栓穿过所述对穿连通孔道使得至少两个所述模块化生物陶瓷块串联为一体；钉栓可以为金属棒或陶瓷棒。如图11所示，所述模块化生物陶瓷块21中形成有两端连通的对穿连通孔道214，采用钉栓依次穿过多个模块化生物陶瓷块21中的对穿连通孔道214，使得多个所述模块化生物陶瓷块21连接为一体。

或者，通过生物胶和骨水泥将至少两个所述模块化生物陶瓷块粘合固定为一体。

并且，若所述金属支架为至少一个立柱和至少两个横向或斜向连接柱形成的三维框架结构，则连接为一体的至少两个所述模块化生物陶瓷块安装和固定于三维框架结构的内部，如图4和图5所示，所述立柱11和所述连接柱12连接形成的三维框架结构的所述金属支架位于所述模块化生物陶瓷块21的外围。

并且，如图11所示，若至少两个所述模块化生物陶瓷块连接为一体结构，所述一体结构的两端可以分别设置有顶盘215和底盘216，顶盘215和底盘216的材质可以为金属或生物陶瓷或同时包含金属和生物陶瓷，通过螺钉和螺帽217将顶盘215和底盘216分别与所述一体结构两端的模块化生物陶瓷块21连接，所述一体结构位于具有三维框架结构的所述金属支架(图11中未示意出)中，所述一体结构通过所述顶盘215和所述底盘216与所述金属支架连接，所述一体结构中的模块化生物陶瓷块21的侧面与所述金属支架可以接触或未接触。

所述顶盘215与所述底盘216由相同或不同的材料制成，所述顶盘215与所述底盘216的材料结构为多孔、致密或多孔与致密相结合；所述顶盘215与所述底盘216的材料为无机材料、有机材料和金属材料中的至少一种，在机体内能被降解或不降解。

所述顶盘215和所述底盘216可以采用与所述模块化生物陶瓷块和/或所述金属支架相同或不同的材料、以及相同或不同的材料结构制备而成。

其中，若所述一体结构中的模块化生物陶瓷块的侧面与所述金属支架接触，则所述模块化生物陶瓷块的侧面可以形成有至少两个凹槽，以与所述金属支架中的立柱匹配性挤压卡入接触。如图3、图6、图7、图9和图10所示，所述模块化生物陶瓷块21的侧面形成有至少两个凹槽218，使得形成图12所示的所述模块化生物陶瓷块21与所述金属支架中的立柱11匹配性挤压卡入接触，所述立柱11的侧面挤入凹槽218中。需要说明的是，所述模块化生物陶瓷块的侧面也可以未形成凹槽，如图8a、图8b和图11所示，此时，所述立柱可以与模块化生物陶瓷块的侧面的任意位置接触。

若所述金属支架仅为至少一个立柱，所述立柱为均匀等粗的几何形。所述立柱的横断面为圆形、椭圆形、三角形、四边形或六边形等，所述立柱的横径为1mm～100mm。并且，所述模块化生物陶瓷块中形成有至少一个对穿连通孔道，通过至少一个所述立柱穿过所述对穿连通孔道使得至少两个所述模块化生物陶瓷块串联为一体，形成稳固有效的所述承载模块化陶瓷的金属假体，所述模块化生物陶瓷块包围所述立柱。

并且，若所述金属支架仅为至少一个立柱，所述立柱上可以形成有至少一个螺纹孔，所述模块化生物陶瓷块的侧面形成有至少一个横向孔，采用螺丝穿过所述螺纹孔和所述横向孔，使得所述模块化生物陶瓷块固定于所述立柱上，串联的所述模块化生物陶瓷块与所述立柱形成完整牢固的所述承载模块化陶瓷的金属假体。并且，可以通过生物胶和/或骨水泥粘合使得所述模块化生物陶瓷块固定在所述立柱上，以形成无所述金属支架外露的所述承载模块化陶瓷的金属假体。

其中，可以采用人工手动或者机械操作的方式将所述模块化生物陶瓷块塞入所述金属支架中、将各个所述模块化生物陶瓷块之间相互组装连接以及将所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架进行组装连接。

从上述步骤S1至步骤S3可知，本发明的承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法具有如下效果：

1)由于根据治疗部位的形态、大小和力学要求设计所述金属支架，并采用3D打印、注模成型、锻造和机械切削等方法制备所述金属支架，使得实现个体化定制所述金属支架，进而实现所述承载模块化陶瓷的金属假体与治疗部位的有效适配，提高治疗成功率。

2)由于根据所述金属支架的形貌、尺寸以及所述模块化生物陶瓷块表面和内部结构的要求设计所述模块化生物陶瓷块，并通过多个所述模块化生物陶瓷块之间的组合达到符合所述金属支架的形貌和尺寸安装要求，使得能够实现所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架之间的精准有效匹配，进而实现所述模块化生物陶瓷块之间以及所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架之间的紧密结合，并且，所述模块化生物陶瓷块能够稳定地固定于所述金属支架内。

3)由于根据所述模块化生物陶瓷块之间的连接和固定需求，在所述模块化生物陶瓷块的表面设计并制造出榫头和/或榫眼，使得所述模块化生物陶瓷块之间的间隙最小化和固定有效化，达到更好的组织引导作用。

4)通过所述模块化生物陶瓷块与所述金属支架之间的精准有效匹配，使得能够满足骨缺损修复部的形态和尺寸要求，并且有利于手术操作；同时，由于所述金属支架的形态和结构接近巨大骨缺损，植入后能够进行结构和力学重建，所述金属支架内的模块化生物陶瓷块能够引导和诱导骨再生，形成钢筋混凝骨效果，进而使得能够充分发挥陶瓷优良成骨作用与金属坚强力学支撑作用的互补，实现巨大骨缺损的结构和功能重建。

5)现有的采用金属支架与陶瓷同时烧结形成金属假体的方法会产生高温氧化效应，严重影响金属的力学性能以及陶瓷与金属界面分离等难题；而本发明中通过将多个所述模块化生物陶瓷块之间组合并安装于所述金属支架上制备所述承载模块化陶瓷的金属假体，无需采用高温烧结，避免了金属支架的高温氧化。

6)所述承载模块化陶瓷的金属假体可用于人和动物的医学治疗领域，针对巨大骨缺损的保肢治疗，达到避免患者截肢的目标。

本发明一实施例提供一种承载模块化陶瓷的金属假体，采用本发明提供的所述承载模块化陶瓷的金属假体的制备方法制备，使得所述承载模块化陶瓷的金属假体能够实现巨大骨缺损的结构和功能重建。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。