一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器及制备方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器及制备方法。


背景技术：

2.椎间融合器常用于脊柱融合修复，植入后能够恢复椎间隙高度，改善神经压迫，缓解疼痛。当前商用椎间融合器材料主要包括钛及其合金和聚芳醚酮等，其中聚芳醚酮材料相比钛基金属而言具有更适宜的力学强度和临床射线可透性，能够避免应力屏蔽效应并利于术后观察，也因此逐渐成为了椎间融合器首选材料。但在临床实践过程中，聚芳醚酮材料本质生物惰性，植入体内后与宿主骨之间生成大量纤维组织，形成纤维整合而非骨整合。在受力情况下，易发生融合器失稳而导致修复失败。因此，目前学界及商业界都在尝试通过各种方式提升聚芳醚酮融合器表面生物活性，进而改善其体内骨整合能力。
3.目前提升聚芳醚酮体内骨整合能力的方式多种多样，包括表面化学处理、表面喷涂活性物质或引入多孔结构等。其中，引入多孔结构是一种商业化潜力较高的方式，其可以通过简单的多孔结构构建，引导骨组织长入，提升界面结合强度。如美国技术公司curiteva在近期就通过3d打印制备了一款多孔聚醚醚酮融合器，已获美国fda批准用于临床椎间融合。但需指出的是，全多孔的聚醚醚酮融合器强度上远低于致密融合器，植入后存在一定安全隐患，且该融合器仅具有贯通多孔结构，其表面仍为生物惰性。此外，法国vallum公司也曾于2018年左右通过加速中性原子束将致密聚醚醚酮融合器表面构建了20-50nm左右的纳米纹理，以改善其骨整合能力。但在致密聚醚醚融合器构建纳米结构也仅能有限促进成骨细胞功能，长期促骨整合效果仍未可知。
4.一般而言，骨诱导生物材料具有比常规惰性和活性材料更高的成骨能力，其能够在不添加任何因子或细胞的前提下，诱导间充质干细胞、成骨细胞等骨再生相关细胞分化和功能命运，实现骨组织的原位骨/异位骨再生。因此，如果赋予椎间融合器骨诱导特性，势必能够获取更好的临床脊柱融合效果。然而，截止目前为此，国内外尚未有任何骨诱导聚芳醚酮椎间融合器相关报道。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器及制备方法。
6.本发明采用下述的技术方案：
7.一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，包括以下步骤：
8.步骤1：3d打印制备融合器，再进行预处理；
9.步骤2：将步骤1预处理后的融合器进行磺化处理；
10.步骤3：将步骤2磺化处理后的融合器进行等离子体处理；
11.步骤4：将步骤3等离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡取出，清洗干燥，得到骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。
12.进一步的，所述步骤1中打印参数如下：
13.外部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：2次；
14.内部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：0次。
15.进一步的，所述步骤1预处理过程如下：
16.融合器打印成型后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗10min后，放置于高温干燥箱60℃烘干1h；
17.所述超声条件为超声温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。
18.进一步的，所述步骤2磺化处理过程如下：
19.将预处理后的融合器，在磁力搅拌下，置于浓硫酸中进行磺化，磺化时间1-10min；
20.然后用去离子水漂洗，被酸蚀部分充分浸出之后超声10-20min,每5分钟更换去离子水，清洗后置于高温干燥箱烘干2h；
21.所述超声条件为温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。
22.进一步的，所述步骤3等离子体处理的过程如下：
23.将磺化后的融合器置于低温等离子器中氧气等离子体刻蚀，刻蚀30-60mim；
24.所述等离子体器条件为功率50-70w，压力0.2-0.6mbar。
25.进一步的，所述步骤4的过程如下：
26.将离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡6-72小时沉积类骨磷灰石后取出，使用去离子水轻微冲洗放入60℃烘箱干燥3小时。
27.本发明的另一方面得到一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。
28.本发明的有益效果是：
29.1、本发明所制备仿骨多级结构聚芳醚酮椎间融合器，其力学和结构可适配椎体宿主骨，能高效传递界面载荷，防止应力屏蔽效应和融合器下沉。
30.2、通过改性处理，本发明在融合器表面构筑了仿天然骨拓扑微纳结构和类骨磷灰石涂层，其能够促进成骨相关蛋白、细胞在材料表面的粘附，并诱导其功能分化，加速新骨生成。植入体内后，不仅能够通过骨传导作用完成融合器上下端面与宿主骨的快速整合，还可利用骨诱导能力诱导融合器内部骨再生，进而从“外”到“内”实现融合器在椎体部位的良好融合。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。
32.图1为本发明实施例融合器示意图；
33.图2为本发明实施例不同处理阶段的融合器表面形貌示意图；
34.图3为本发明实施例类骨磷灰石沉积示意图；
35.图4为本发明实施例骨髓间充质干细胞分化能力评估示意图；
36.图5为本发明实施例骨诱导性评价实验示意图；
具体实施方式
37.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，包括以下步骤：
39.步骤1：通过熔融挤出3d打印制备融合器，再进行预处理。
40.将聚芳醚酮丝材在80℃加热干燥8h以上后，通过增材制造将聚芳醚酮丝材打印成型。其中所使用的基底材料为聚芳醚酮材料，可包括聚醚醚酮(peek)、聚醚酮酮(pekk)、聚醚酮(pek)等聚合物。
41.打印参数如下：
42.外部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：2次；
43.内部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：0次。
44.预处理过程如下：
45.融合器打印成型后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗10min后，放置于高温干燥箱60℃烘干1h；
46.其中超声条件为超声温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。
47.步骤2：将步骤1预处理后的融合器进行磺化处理。
48.磺化处理过程如下：
49.将预处理后的融合器，在磁力搅拌下，置于浓硫酸中进行磺化，磺化时间1-10min；然后用去离子水漂洗，被酸蚀部分充分浸出之后超声10-20min,每5分钟更换去离子水，清洗后置于高温干燥箱烘干2h；其中所述超声条件为温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。
50.在磺化处理过程中，材料表面会被溶解刻蚀，在去离子水清洗及后续超声处理过程中，被溶解的部分材料会析出，从而在材料表面形成微孔结构。
51.步骤3：将步骤2磺化处理后的融合器进行等离子体处理。
52.等离子体处理的过程如下：
53.将磺化后的融合器置于低温等离子器中氧气等离子体刻蚀，刻蚀30-60mim；所述等离子体器条件为功率50-70w，压力0.2-0.6mbar。
54.等离子体处理时，被磺化后的不稳定聚芳醚酮材料会被高能离子轰击，从材料表面脱落，形成具层次特征(丰富的大孔+孔壁表面微孔)的孔隙结构。
55.步骤4：将步骤3等离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡取出，清洗干燥，得到骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。
56.所述步骤4的过程如下：
57.将离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡6-72小时沉积类骨磷灰石后取出，使用去离子水轻微冲洗放入60℃烘箱干燥3小时。
58.通过磺化处理和等离子处理后，材料表面具有丰富的亲水性官能团和氧自由基等
活性基团。放入模拟体液中后，这些活性基团可作为成核位点，吸附钙、磷等离子沉积、成核及生长，最终形成均匀致密的类骨磷灰石涂层。
59.如图1所示，本发明的另一方面得到一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器，所述融合器包括外层致密区域、中间多孔区域和中间植骨窗区域；所述外层致密区域用于提供支撑强度；所述中间多孔区域用于引导骨组织长入，所述中间多孔区域孔径300-600(μm)，孔隙率60-80％，所述融合器为模拟人体生理椎体特征，后端面和前端面呈0-15
°
倾斜。
60.实施例1
61.步骤1：通过熔融挤出3d打印制备融合器，再进行预处理。
62.所使用的材料为peek，将丝材在80℃加热干燥8h以上后，通过增材制造将peek丝材打印成型。打印参数为：外部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：2次；内部区域：打印参数为：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：0次。
63.预处理过程如下：
64.融合器打印成型后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗10min后，放置于高温干燥箱60℃烘干1h；
65.其中超声条件为超声温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。
66.步骤2：将步骤1预处理后的融合器进行磺化处理。
67.磺化处理过程如下：
68.磁力搅拌下，peek椎间融合器置于浓硫酸中进行磺化，磺化时间为5min。将磺化后的材料置于去离子水中漂洗，待被酸蚀部分充分浸出之后超声(温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz)10min，每5min更换去离子水以充分去除孔隙结构中残留的硫酸，将充分清洗后的磺化peek置于高温干燥箱60℃烘干2h后得到磺化peek椎间融合器。
69.步骤3：将步骤2磺化处理后的融合器进行等离子体处理。
70.将磺化后的peek椎间融合器置于低温等离子处理器(功率50w，压力0.3mbar)中进行氧气等离子体刻蚀，刻蚀30min。
71.如图2所示，从图中可以看出，通过等离子体处理改性处理后，融合器表面出现了类骨多级微纳结构。
72.步骤4：将离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡24小时沉积类骨磷灰石后取出，使用去离子水轻微冲洗放入60℃烘箱干燥3小时。
73.如图3所示，将上述三种材料放入模拟体液中沉积类骨磷灰石，经过24小时后发现，在纯peek表面无磷灰石沉积，磺化处理后样品表面有少量磷灰石沉积，而等离子体处理后的样品表面具有大量类骨磷灰石沉积，形成了均匀涂层
74.如图4所示，通过骨髓间充质干细胞分化能力评估考察上述材料骨诱导潜力，选择成骨分化标志性基因(碱性磷酸酶，alp)作为评价指标，结果发现：表面类骨磷灰石沉积后的骨诱导椎间融合器相比于其余三组样品，具有明显更高的促干细胞分化能力，呈现了更强的骨诱导潜力。
75.如图5所示，将融合器植入比格背部肌肉中，通过组织学染色观察融合器内部多孔区域的异位骨再生情况。植入12周后发现，融合器内部可见明显的新生骨组织形成，证实其
具有优异的骨诱导特性。
76.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：3d打印制备融合器，再进行预处理；步骤2：将步骤1预处理后的融合器进行磺化处理；步骤3：将步骤2磺化处理后的融合器进行等离子体处理；步骤4：将步骤3等离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡取出，清洗干燥，得到骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。2.根据权利要求1所述一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中打印参数如下：外部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：2次；内部区域：打印温度：420℃；打印速度：40mm/s；打印层厚：0.2mm；打印层高：0.4mm；打印壁厚：0.8mm；壁走线次数：0次。。3.根据权利要求1所述一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤1预处理过程如下：融合器打印成型后，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水各超声清洗10min后，放置于高温干燥箱60℃烘干1h；所述超声条件为超声温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。4.根据权利要求1所述一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤2磺化处理过程如下：将预处理后的融合器，在磁力搅拌下，置于浓硫酸中进行磺化，磺化时间1-10min；然后用去离子水漂洗，被酸蚀部分充分浸出之后超声10-20min,每5分钟更换去离子水，清洗后置于高温干燥箱烘干2h；所述超声条件为温度25℃，超声功率120w，超声频率40khz。5.根据权利要求1所述一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤3等离子体处理的过程如下：将磺化后的融合器置于低温等离子器中氧气等离子体刻蚀，刻蚀30-60mim；所述等离子体器条件为功率50-70w，压力0.2-0.6mbar。6.根据权利要求1所述一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤4的过程如下：将离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡6-72小时沉积类骨磷灰石后取出，使用去离子水轻微冲洗放入60℃烘箱干燥3小时。7.根据权利要求1～6任一所述一种制备方法得到的骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。

技术总结
本发明公开了一种骨诱导聚芳醚酮椎间融合器及制备方法，包括以下步骤：步骤1：3D打印制备融合器，再进行预处理；步骤2：将步骤1预处理后的融合器进行磺化处理；步骤3：将步骤2磺化处理后的融合器进行等离子体处理；步骤4：将步骤3等离子体处理后的融合器放入模拟体液中浸泡取出，清洗干燥，得到骨诱导聚芳醚酮椎间融合器。本发明在融合器表面构筑了仿天然骨拓扑微纳结构和类骨磷灰石涂层，其能够促进成骨相关蛋白、细胞在材料表面的粘附，并诱导其功能分化，加速新骨生成，实现融合器在椎体部位的良好界面融合。的良好界面融合。的良好界面融合。


技术研发人员：袁波 章玉祥 朱向东 张凯 张兴栋
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/22