技术领域
钛或钛合金经常用于外科种植体，尤其是与骨外科手术相关的种植 体。这类种植体是生物相容的且如钢一样坚硬。然而，如果暴露于大气 氧中，则钛的经加工表面会被保护金属性能的氧化物层覆盖，由此呈现 惰性表面。
背景技术
钛种植体因其生物相容性和机械强度而广泛用于诸如髋关节假体 和牙种植体的承载用途。由于覆盖这种种植体表面的惰性氧化物层，因 此骨与金属之间的直接接合很少见。有趣的是，尽管大多数作者认为氧 化物层是钛种植体生物相容性的基础，但是少数人相信可以改进氧化物 覆盖的钛的性质。一种方法是在钛种植体上应用生物活性材料以覆盖氧 化物层。诸如羟基磷灰石(骨类似物)的生物活性陶瓷的应用据认为改 善种植体的生物学性质。常规的热等离子喷涂已用于在氧化钛表面施加 羟基磷灰石或磷酸钙，但所述方法不能提供期望的产品。近来，已开发 出各种低温薄膜技术，用以扩展涂覆陶瓷的种植体的临床应用。一个临 床问题是这类种植体不能通过粘结至骨的传统方法进行固定。另一问题 是陶瓷的机械强度低。
增加种植体在骨中的固位(retension)可通过增加它们的表面积并 进而增强骨整合和附着强度的机械或化学过程而获得。用磨料颗粒对种 植体表面进行喷砂处理也是获得此效果的一种沿用已久的方法。这类种 植体常被氧化物覆盖。由于氢氟酸能够腐蚀钛表面，所以已利用高浓度 的氢氟酸处理种植体以获得广泛蚀刻的表面，在该表面中，孔隙和凹蚀 提供机械固位。
本发明的目的是改善钛种植体在骨中的附着。当除去通常覆盖种植 体的惰性氧化物层时，暴露出钛金属本身。由于钛是一种过渡金属且表 现出空的价电子层轨道，因此它对于多种可提供电子并由此与钛金属形 成配位配合物的配体具有高亲合力。
相关配体的强度排序如下：氯化物＜氟化物＜羟基＜磷酸根。
可以看出，含氧配体对钛的亲合力高于卤素。
因为磷酸根是多配位基的并且提供可与过渡金属形成配位配合物 2～4个氧部分，所以磷酸根对钛具有特别高的亲合力。因此，与通常被 描述为惰性的氧化物覆盖的钛相比，暴露的过渡金属还具有其它性质。
发明内容
本发明提供一种在植入骨后的固位增强的钛种植体，其中所述种植 体包括配位结合至钛表面的磷酸根基团，所述基团确保种植体牢固附着 至其所植入的骨。
本发明的另一方面是一种制备在植入骨后固位增强的钛种植体的 方法，所述方法包括以本身已知的方式制备种植体，然后除去种植体表 面形成的氧化物层以暴露出金属钛，然后在无氧条件下用磷酸盐溶液处 理暴露的种植体，由此使磷酸根基团配位结合至钛表面，所述基团确保 种植体牢固附着至其所植入的骨。
附图简述
图1：显示覆盖有灰色颗粒和较大且较致密的分散颗粒(分别以B和 A表示)的釉质样本的SEM图像。
图2和3：显示灰色颗粒损失而白色致密颗粒A仍保留的SEM图像。
图4：动物实验结果的图示，其显示经预处理的样本B与对照种植体 A的界面张力对比。
发明详述
本发明包含一种方便且经济的方法的描述，通过该方法，利用以配 位配合物形式共价键合至钛种植体的磷酸根基团取代覆盖钛种植体表 面的氧化物层。当这种牢固结合的磷酸根基团被置于骨中时，它会吸引 组织流体中的钙，并引发骨形成，使得在该处骨牢固附着至种植体表面。
氧化物层可通过机械或化学过程除去。必要的是，这些过程均在氩 气中进行以防止种植体再氧化。
机械过程的例子是用诸如金刚石粉或不含氧化物的钛的惰性磨料 抛光钛表面。然后将种植体转移至磷酸盐/酯溶液以获得如上所述键合 至过渡金属表面的磷酸根。
根据G.N.Lewis，配体(磷酸根)为钛的空价电子层提供电子。
氧化物层的化学移除可通过将钛种植体暴露于氢卤酸，由此生成卤 化钛而取代已知的氧化物层来实现。已知稀氢氟酸比其它氢卤酸更为有 效。在该过程之后，将卤化钛转移至磷酸盐/酯溶液，由此磷酸根基团 的氧部分取代卤原子，其原因是前者是更强的配体。
机械处理和化学处理均提供具有磷酸根表面层的钛，其中磷酸根基 团配位键合至钛表面，如上文所述。在临床使用时，这种表面会在暴露 于组织流体中的钙离子时吸引钙离子，并由此引发在牢固附着至种植体 的骨形成。
钛/磷酸根配合物是熟知的化合物，用于工业规模的离子交换过程以 从热的废水中除去重金属，在这种情况下有机离子交换材料是不适用 的。用于此目的的钛是通过FFC Cambridge法生产的，并且为具有非 常高的表面积的海绵形态。该化合物也用于去除放射性、肾透析和去除 酒中的钙。它是一种稳定的化合物，不因湿热而分解。磷酸根覆盖的钛 种植体也可望表现出这种稳定性。钛/磷酸根离子交换材料也可进行重 新调整并用于许多其它用途。磷酸锆配合物与钛/磷酸根化合物在化学 上密切相关，表现出相似的性质，并用于相同的用途(Clearfield： Inorganic ion exchange materials.CRC press 1982，Boca Raton Fl. USA)。
下文所述的方法被设计成钛(或锆)种植体制造工艺中的最后步骤。 重要的是，该制造通过将已加工的钛种植体的氧化程度降至最低的过程 来进行。这有利于随后的氧化物去除，如下文所述。钛种植体或某些钛 合金的种植体适用于该方法。由于金属钛总是被惰性氧化物层覆盖，因 此初始步骤为用机械法置换氧化物层。一种可能的方法是用金刚石粉或 其它合适的磨料或方法进行喷砂处理。该过程应在无氧的环境(优选氩 气)中进行。在机械除氧之后，将钛金属转移至磷酸盐/酯溶液，在该 溶液中，钛接收因磷酸根的多配位基性质而被选择性吸收的配位键合的 磷酸根基团层。
通过使用氢卤酸，可将钛的氧化物层以化学方式部分或全部除去。 当没有具有更高亲合力的含氧配体时，卤素代表对形成配合物的过渡金 属钛具有亲合力的配体。已知稀氢氟酸与钛原子反应形成配合阴离子： (TiF6)3-。
用盐酸的处理可在20到80℃的温度下进行，且应持续10分钟至 24小时或更长。
氢氟酸的适宜浓度为0.1到0.5％w/vol，pH值为2.5～3.0，并且处 理应持续至多2分钟时间，通常为30至60秒，取决于氧化物层的厚度。 如果厚的氧化物层覆盖种植体，则在至多60℃的温度下进行处理。优选 的处理是在至多50℃下持续至多30秒。
当使用氢氟酸时，这些过程会导致氧化钛的氧被氟置换。该反应在 2.5至3的pH值下发生，该pH值是高度稀释的氢氟酸水溶液的自然 pH值。HCl的相应pH值为1.0～1.2。化学过程的下一步骤包括将钛种 植体直接转移至磷酸盐/酯水溶液或磷酸盐缓冲溶液中，这与用机械法 除去氧化物层的种植体处理类似。由于钛是3d过渡金属，对氧的亲合 力高于卤素，所以转移至磷酸盐/酯溶液会导致钛表面的氟被未质子化 的磷酸根基团取代。磷酸根基团可含2至4个氧部分且为多配位基，因 此可选择性地与钛表面反应，如上文所述。可使用其它方法用于去除氧 化物层，例如使用强的磷酸，或涉及使用超声的过程。本发明的一个特 殊特征在于利用暴露的金属钛表面的化学性质来获得钛种植体表面上 配位键合的磷酸根基团，而该过程在有氧化物覆盖的种植体上是不可能 的。因此，本发明提供一种在植入骨后的固位增强的钛种植体。该种植 体包括结合至金属钛，即不只结合至氧化钛的磷酸根基团。
在将种植体置于骨中时，所得到的钛/磷酸根基团配合物会与组织流 体中的钙相互作用，由此在种植体上形成牢固键合的骨。该机理对于机 械法或化学法处理的钛种植体而言是相同的。如前文所述，该机理代表 在种植体金属与骨之间直接键合的例子。在将氟处理过的种植体放入磷 酸盐/酯溶液之前，不得将其用水清洗，因为这会倾向于促进种植体上 的氧化物形成。
磷酸盐/酯水溶液应优选含有至少0.1mol/l的磷酸根，pH值在2和 8之间，优选为6和8之间，尤其为约7.2。磷酸根基团可以是单-、双- 和多磷酸根形式的有机或无机的，应仅含有最少量的钙，并且应优选为 浓度0.01～1.0％w/v的溶液形式。也可使用具有暴露的羧基的分子，例 如EDTA。
可使用的有机磷酸根还包括DNA、RNA、ATP、ADP和AMP。合 适的磷酸盐缓冲溶液通常具有0.01～0.2mol/l的浓度。也可使用磷壁酸 和诸如酪蛋白的磷蛋白(phophoprotein)以及具有可促进植体在骨内 整合的生物活性的分子。
在磷酸盐/酯中的处理应持续1分钟到24小时，优选为1至2小时。
如上文所述，磷酸钛用于工业规模的离子交换操作，例如从饮用水 中除去重金属。此处的钛为具有大表面积的“海绵”形态(Clearfield 1982)。已知钛/磷酸根配合物非常稳定，并且可保存在10mmol/l的无 菌磷酸盐/酯溶液中，或干燥保存。这与经氟处理的钛种植体相反，后 者易分解且已知易吸湿。该问题将在后面讨论，见四氟化钛实验部分。 因此，在保存期间表面可能因遇氧或见光而分解。
在我们对现有技术的检索中，找到以下出版物：
D1 Ellingsen等，WO 95/17217和20050161440
这些出版物描述了用稀氢氟酸对钛种植体进行简单处理，该处理表明 改善了种植体与骨之间的接触，如在动物实验中证实的。据认为这种有益 效应至少部分是由于保留在钛种植体上的氟或氟离子所致。
该作者说明，不可能限定经氟处理的表面的特征，除非所述效果提供 所期望的表面特性。
另一个描述特征表面的方法是，当该表面暴露于Hepes缓冲液中pH 7.2的饱和磷酸钙溶液时，该表面获得一层可见沉淀。这与在未处理的种植 体表面上的效应相反，未处理的种植体表面不表现出这样的层。作者似乎 假定钙是沉淀的原因。这可从权利要求41～54和59～64明显看出。根据 权利要求27～40，作者还说明，在用钙处理钛的过程中应该存在氧化物层。 已经知道，通常覆盖钛种植体的氧化物层表现出一定的离子交换性质，与 阳离子结合是该性质的一个方面(Clearfield 1982)。看起来作者可能已将 观察到的钙与钛的结合与这种机理相关联。作为描述经氟处理的钛种植体 的特性的方法，以上所述方法具有一定的优点。然而，如果该方法被视为 生产用于临床目的的种植体的替代处理方法，则Hepes缓冲溶液的使用和 种植体上的可见材料沉淀代表严重的问题。Hepes缓冲溶液引起较快的血 凝固(Robertson等，Throm Heamost 1976；35：202)，这使其不适合于临 床使用，并且在种植体表面的可见材料沉淀则使螺旋拧入的种植体或紧密 配合的种植体毫无用处。
与D1相比，本发明包括一个两步的程序。1)通过用合适磨料颗粒喷 砂处理的机械法或使用氢卤酸的化学法从钛种植体上除去氧化物。2)由此 暴露出作为3d过渡金属的钛。钛金属能够与特定的配体形成配合物。含 氧配体如OH-和H2O，或非质子化的磷酸根基团均为强配体，而卤素相对 较弱。本发明利用这点，将氟处理过的钛转移至其中有大量含氧配体可用 的磷酸盐/酯溶液中，并且这些配体会取代种植体表面上的卤素。
Ellingsen等描述的方法包括使用植入骨时其表面上出现有氟或氟化物 的钛种植体(权利要求15)，并且其临床作用也与该现象相关。这与本发 明相反，在本发明中，氟离子通过与磷酸基上的氧部分竞争而被从种植体 表面除去，并且磷酸基是种植体表面的一个必要方面；而根据Ellingsen 等人的观点，氟化物(或氟)在处理过的种植体上具有该功能。特别地， 如本发明所述通过其从钛种植体上除去氧化物的机械法与Ellingsen等人 描述的种植体处理方法非常不相关，因为本发明的机械方法中不一定包括 氟化物的任何使用。
我们的发明考虑到3d型钛过渡金属及其配体的性质，而Ellingsen等 人显然未考虑这种可能性。这通过规定在钛表面存在氧化钛的权利要求 34～40和涉及表面上的钙的权利要求41到64示出。钙不是过渡金属钛的 配体。
上述几点证明Ellingsen等人在D1中所描述的以上方法与本发明明显 不同。技术人员不能利用D1来预测本发明。
D2.关于Astra Tech Implant，第3期(2005)的文件
在种植体上的接种实验中涉及的是磷酸钙沉淀，并且推测在活体内出 现可能的类似反应。因此，这些推测与在种植体植入骨之前就在体外出现 沉淀的种植体相关。假定刺激骨祖细胞会导致随后的碱性磷酸酶升高(第 5页)。还建议在种植体上形成磷酸钙(临床使用前)以促进种植体与骨之 间的共价键。用磷酸钙对种植体进行预处理为推测性的，没有数据表明该 处理能增强骨与种植体之间的附着。
已有充足的时间进行这样的实验。在氟化钙溶液中Hepes使用缓冲溶 液和出现磷酸钙可见沉积的沉淀的事实表明出现了难题，如在上文针对D1 所述的。
Ellingsen等只考虑了种植体上磷酸钙沉淀中钙的作用。磷酸根的作用 则未被讨论。本发明中包括，钛种植体上配位键合的磷酸根本身是必要的 方面。甚至在种植体表面上用磷酸钙处理和沉积磷酸钙也与本发明不同， 在本发明中，磷酸根与钙之间的反应于植入之后在骨中进行，而不是如 Ellingsen等描述的在植入前进行。
特别地，本发明中描述的除去氧化物的机械法(但未规定使用氟离子 处理种植体)与在D2中Astra的总结中找到的推测不相关。
D3 Minewski Pub.No US 2004/0053198 A1
该出版物描述了钛或钛合金的低温阳极磷酸化处理。
电解质溶液由磷酸水溶液提供，但是可以包含磷酸盐/酯。种植体含有 磷原子和氧原子。磷原子由磷的氧化物、钛磷氧化物及其组合提供。可将 多孔层置于种植体表面上，并且可以通过等离子沉积和电沉积将羟基磷灰 石添加至种植体表面。
种植体表面的这种处理与本发明几乎没有关系。
D4 Beaty US 2005/0263491 A1
该出版物描述了一种通过用高浓度氢氟酸处理除去钛的氧化物层的程 序。该第一次蚀刻的目的是为通过硫酸和盐酸混合物进行第二次蚀刻做准 备，所述第二次蚀刻据认为制备粗糙度均匀的表面，所述粗糙度均匀的表 面据信提供与骨的强力附着。可将骨生长促进材料以机械保持的矿物颗粒 形式添加至经蚀刻的表面。
该出版物描述了一种与本发明所述不同的表面。
D5 Kasagua等，EP 1338292 A1
该出版物描述了一种包含氧化物层的钛种植体，所述氧化物层上包含 以下物质中的至少一种：-PO4H2、-TiOH、-ZrOH、-NbOH、-TaOH和-SiOH， 这些物质提供骨传导性表面。
该方法与本发明没有关系。
D6 Haszmann等，美国专利5,354,390
该专利描述了一种通过阴离子氧化和随后在至高为750℃下的热处理 而在钛种植体上得到氧化物-陶瓷涂层的方法。通过该方法可得到具有不同 颜色的种植体。
该专利与本发明不相关。
D7 Teller等，美国专利5,759,376
该专利描述了将羟基磷灰石层电化学沉积到金属与陶瓷表面上。电化 学涂层通过溶胶-凝胶法利用含有钙和磷酸氢盐的电解质与基底上的预涂 层相结合。该方法提高了种植体的生物相容性。
该专利与本发明不相关。
使用四氟化钛的实验
该实验目的是检测四氟化钛遇水后的反应产物和这些产物与釉质 表面的相互作用，所述釉质表面主要由羟基磷灰石组成，羟基磷灰石也 与骨密切相关，并在其表面显露出有大量磷酸根基团；Ca10(PO4)6(OH)2。
另一目的是检验钛金属离子是否会与釉质表面上的磷酸根基团形 成配合物。这样的反应将表明反过来也成立：钛金属种植体会与可溶的 磷酸根离子反应，如示意性示出的：-(磷酸根)O-Ti，与在本实验中一 样。这与金属钛遇磷酸盐/酯溶液时出现的-Ti-O(磷酸根)相反，如上所 述。因此，这两种情况的机理是相同的。
还认为釉质表面有利于鉴别诸如氟化钙的反应产物，已知在暴露于 四氟化钛时在釉质上形成氟化钙(Büyükyilmaz等，Europ J Oral Sci 1997；5：473)。从商业来源购得四氟化钛，并将其制成4％w/vol的水溶 液。在放置10分钟后，将四个釉质片加入溶液中。再过2分钟后，弃 去溶液，在去离子水中清洗釉质样本并将其干燥。一份样本用50ml的 KOH(1mol/l)处理24小时，然后在蒸馏水清洗并将其干燥。之后， 制备釉质样本用于SEM和EDAX分析。
实验清楚地显示，氟化钛在水中不稳定，而磷酸钛配合物在1mol/l 的KOH中是稳定的。
结果与讨论
新鲜配制的四氟化钛溶液的pH值立即降至1.5。SEM(图1)显示， 釉质样本被灰色颗粒和较大且较致密的分散(白色)颗粒覆盖，两种颗 粒分别用B和A表示。EDAX显示存在Ca、P和Ti。经KOH处理(已 知溶解氟化钙)后，SEM(图2和3)显示灰色颗粒减少，而白色致密 颗粒(A)保留。(C)代表暴露釉质的暴露区域，该区域之前被氟化钙 覆盖。因此，可以推断，在KOH处理后损失的灰色颗粒(图1B)为 氟化钙。白色颗粒(图2A和3A)由钛金属组成。可以看出，白色致 密颗粒可能通过配位键合至釉质表面上露出的磷酸根基团而被吸附至 釉质。
反应可按如下方式解释：四氟化钛遇水解离，而钛引起水解(Ti+ H2O＞TiOH+H+)，并且pH值降低(Busaley等，Inorgan Chem 1983； 17：418)。氟离子在这种低的pH值下形成离子型的HF，已知HF与釉 质表面上的钙反应而形成氟化钙。这是众所周知的反应。白色颗粒由钛 组成，钛通过磷酸根基团上的氧部分而键合至釉质。这可能是配体氧与 过渡金属钛之间的配位结合(Tveit等，Caries Res 1983；17：412)。因 此表明，甚至在磷酸根基团上的氧被质子化的这种低pH值条件下钛也 可与磷酸根基团形成配合物。看起来，磷酸根基团-钛配合在氟化钙之 前沉积，因为该阶段主要在用KOH除去氟化钙之后才可见，如上文所 述。因此，显然可以在未用酸预处理的情况下形成-磷酸根基团-钛配 合物(以及-钛-磷酸根这样的配合物)。
动物实验
该实验的目的是比较未处理的硬币状钛种植体和根据本发明用氟 和磷酸根/酯处理过的这种钛种植体在兔骨中的固位。使用新西兰白兔， 实验程序如与Ellingsen所述(Biomaterials 2002；23：21)。
研究开始时白兔的体重为4.6～5.4Kg，实验期间动物关于笼中。每 只动物联合注射fluanozonium 1.0mg/kg和fentatylium 0.02mg/kg (Hypnorm，Janssen Pharmaceutical，Belgium)使其安静，并用赛罗卡 因/肾上腺素(AB Astra)局部麻醉。
在兔的每个尺骨上两个平坦位置处钻孔，钻孔是定制的，以允许固 定放置两个硬币状的种植体。这些种植体直径6.25mm，高1.95mm， 由2级钛组成。对照组种植体(A)用粒经为180～220μm的TiO2颗粒 喷砂处理，而实验种植体(B)进行相同的处理，只是还用0.2％氢氟酸 水溶液处理30秒，然后在pH7.2的0.1M磷酸盐缓冲液中处理60分钟。 在以磷酸盐缓冲液处理前不用水清洗。
8周后取出种植体，并用装配有100N经校准的荷重传感器的Lloyds LRX机进行拉伸试验。所记录的拉力给出种植体和骨之间连接强度的 直接评估。
结果在图4中给出。可以看出，实验种植体比未处理的对照种植体 具有明显更强的对骨的亲合力。此外，所记录的对照样本的抗拉力变化 明显多于实验的种植体。
实施例1
将在氩气中制得的由纯钛构成的钛种植体在氩气中用金刚石粉喷砂处 理，直至除去氧化物层。然后将种植体移入无菌的0.1mol/l磷酸盐缓冲溶 液中处理4小时或更长，接着高压灭菌并在无菌条件下干燥保存。
如果在临床过程中需要冷却，则应提供无菌的10mmol/l pH7.2的磷酸 盐缓冲溶液用于该目的。
实施例2
将由常规方法制得的由临床用合金构成的钛种植体用0.2％的氢氟 酸水溶液处理30秒，然后直接移入含0.1％焦磷酸钠的0.1M pH7.0磷 酸盐缓冲溶液中处理4小时或更长。之后，将种植体辐照灭菌，并在无 氧和干燥气氛中干燥保存。
实施例3
在常规条件下制得钛种植体。在氩气中依次用不含氧化物的钛粉末 和金刚石粉对种植体喷砂处理，然后将种植体移入饱和酪蛋白溶液中处 理2小时，在磷酸盐缓冲溶液中清洗，然后进行辐照并保存在pH7的 稀磷酸盐缓冲溶液中。
实施例4
在常规条件下制得钛种植体，然后用180～220μm的钛颗粒喷砂处 理。该处理之后，在氩气中用金刚石粉喷砂处理所述种植体，而后移入 pH为4的磷酸盐缓冲溶液中处理1小时，然后再移入pH为7.2的磷酸 盐缓冲溶液中处理1小时。随后，将种植体高压灭菌并移入含有pH7.0 稀磷酸盐缓冲液的容器中，缓冲液完全覆盖种植体。
实施例5
在氩气中制得锆种植体，并在氩气氛中进行短暂的喷砂处理。然后 将种植体移入0.1mol/l pH7.2的无菌磷酸盐缓冲溶液中处理4小时。随 后，将种植体高压灭菌并在无菌条件下干燥保存。