一種外固定支架用鈦螺釘及其制備方法
【專利摘要】發明提供一種外固定支架用鈦螺釘。所述鈦螺釘外表面包覆一二氧化鈦膜，所述二氧化鈦膜的厚度范圍在1～4μm之間。在本發明中，通過在所述鈦螺釘外表面包覆二氧化鈦膜，既使所述鈦螺釘具有抗菌效果，又對機體本身無毒副作用。同時，由于外固定支架螺釘穿經皮膚，暴露于機體外的螺釘部分又可以利用光催化達到抑菌效果，有效阻斷了細菌感染的主要途徑和來源，進而有效地防止了釘道感染。
【專利說明】
一種外固定支架用鈦螺釘及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明涉及醫療器械領域，特別涉及一種外固定支架用鈦螺釘及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 應用外固定支架治療骨科疾病已有170余年的歷史，骨外固定的概念起始法國醫 生Malgaigne在1840年，以2枚鋼釘經皮穿入脛骨骨折的兩端，然后用可調整周徑的皮帶來 連接皮外的兩枚鋼釘控制骨折端的移位，由此骨外固定的概念正式興起。第一個現代外固 定架是由美國醫師Parkhill于1897年設計的。在他之后，又有很多醫師設計了多種外固定 架系統，從此逐漸推動骨外固定器臨床實用化。前蘇聯著名學者Ilizarov，他發明的多孔性 全環式外固定器及其"張力一一應力法則"技術理論是20世紀骨科發展史的里程碑之一。其 解決了許多傳統治療方法無法解決的醫學難題，如對骨關節畸形及骨不連骨轉移、骨重建 骨缺損，肢體延長的治療取得舉世矚目成就。經過一個多世紀的不斷改進，隨著科技的不斷 進步及幾代人的不懈探索，各種支架不斷問世，有環形支架、單邊支架、多平面支架等目前 較為常用。
[0003] 20世紀以來，各種內固定技術不斷進步，以鋼板、螺釘和髓內釘等被廣泛應用于骨 折和矯形治療，然而因其需要切開正常組織，手術相對復雜等因素導致了內固定技術在實 際應用中仍有一定的局限性。隨著社會交通的發展，嚴重的高能量損傷及多發性軟組織損 傷愈來愈多見。在治療這些難題時，外固定支架在治療嚴重軟組織損傷及復雜開放性下肢 骨折有其獨特優勢，因為它對機體的損傷小，手術操作簡單。外固定架在處理合并嚴重軟組 織損傷的骨折，快速方便地固定多發損傷患者的骨盆骨折、肢體骨折等方面優勢突出，并且 科技的進步以及材料的更新同時還賦予了外固定支架延長、加壓、成角、平移和旋轉等功 能，對創傷、感染、腫瘤切除后造成的肢體骨質缺損和畸形的治療有獨特的優勢。
[0004] 近年來，外固定支架大量的應用于臨床的同時，其并發癥也越來越引起重視。如廢 用性骨質疏松、外固定支架松動、釘道感染、關節功能障礙、再骨折、骨折延遲愈合或不愈 合。其中，在應用外固定支架時最常見的并發癥為釘道感染，有研究顯示這種并發癥的發生 率在臨床工作中甚至超過了 50%，而且采用外固定支架治療的患者中有1%發生了嚴重的 釘道感染。外固定支架固定的穩定性是其最關鍵和最基本的要求，并且要在保證牢固的前 提下兼顧早期功能康復訓練。而釘道感染可造成螺釘松動影響外固定架的穩定性。臨床上， 往往不需要處理僅僅局限于皮膚表面的感染，當感染加重時會導致螺釘松動甚至會導致骨 髓炎。
[0005] 隨著生物醫學的進步，釘道感染病理機制逐步被闡明。骨科內植物相關感染過程 從微觀上可分為三個階段。在螺釘植入初期，內植物迅速被血漿蛋白包繞，此時細菌細胞和 螺釘表面的蛋白層的結合是非特異性的，如通過范德華力，重力，庫侖力。在第二階段，細菌 細胞膜上的蛋白以及多糖錨定在螺釘表面的蛋白上，完成細菌的定植。第三階段，部分細菌 會分泌保護性的表多糖，在此階段，局部以及全身應用抗生素效果欠佳，也叫細菌生物膜的 形成。引起釘道感染最常見的病原菌為大腸桿菌和金黃色葡萄球菌。而最容易形成生物膜 導致抗生素耐藥的病原菌為金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌。因此，新一代的螺釘材料應 注重在前期抑制細菌生物膜的形成。
[0006] 雙氧水、75%的酒精、洗必泰、碘伏等為常用的術后釘道周圍皮膚消毒方式。每周 一次用洗必泰清洗釘道周圍皮膚是英國皇家護理學院社會矯形和創傷護理在2010年推薦 的方案。然而以何種方式清洗釘道周圍皮膚尚無定論，近期一項關于釘道感染預防的meta 分析表明過多釘道護理并不會減少釘道感染的發生率。
[0007] 在預防釘道感染中，除了釘道周圍護理，最常見的方式為全身應用抗生素，然而較 低的生物利用度、選擇性差及血清毒性是該方法的弊端。為避免這些弊端，以螺釘涂層來減 少細菌的粘附逐漸取代了全身應用抗生素的方法。
[0008] 涂層抗菌的設計理念可分為兩種，一種是以抗生素涂層為代表的抗菌涂層；另一 種通過增加骨-螺釘界面關系減少螺釘松動來間接降低釘道感染的發生率。較具代表性的 為具有殺菌特性的金屬離子涂層，如銀離子和銅離子，然而此類離子對機體的毒性作用現 在仍然存在爭議。抗生素涂層可較迅速的在早期移植細菌的粘附，然而抗生素的釋放較難 控制，如短時間內釋放速度過快則產生毒性會抑制骨折部位的愈合;而在植入身體一段時 間后抗生素濃度不能達到有效抑菌濃度也是不利的，且局部應用抗生素所產生細菌耐藥性 問題也不容忽視。抗生素緩釋系統無疑是一個和更為合理的選擇。目前多以PMMA、PDLLA為 載體，因為此類載體可以很大程度上減少耐藥菌株的出現，這種新型局部給藥方式被看作 是骨科器械發展的"未來〃。緩釋系統也可以搭載一些生長因子實現抗菌，如Holt通過小鼠 外固定實驗證明了細菌的增殖和生物膜形成可以被N0涂層明顯的抑制。而Mutsuzaki等通 過動物實驗發現，生長因子只能在短時間內維持效果，而在4周以后螺釘松動的幾率在生長 因子釋放殆盡后逐漸增加。這類技術較新，尚缺乏大量的體外及動物實驗研究。
[0009] 因此，我們需要一種新的外固定支架用鈦螺釘，既可以客服金屬離子涂層的毒副 作用問題，又具有長期抗菌效果且效果可靠的鈦螺釘，克服緩釋系統效果短不穩定的問題。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的在于提供一種外固定支架用鈦螺釘，通過在所述鈦螺釘外表面包覆 二氧化鈦膜，既使所述鈦螺釘具有抗菌效果，又對機體本身無毒副作用。同時，由于外固定 支架螺釘穿經皮膚，暴露于機體外的螺釘部分又可以利用光催化達到抑菌效果，有效阻斷 了細菌感染的主要途徑和來源，進而有效地防止了釘道感染。
[0011] 為了實現上述目的，本發明首先提供一種外固定支架用鈦螺釘。所述鈦螺釘外表 面包覆一二氧化鈦膜，所述二氧化鈦膜的厚度范圍在1~4μηι之間。
[0012] 在本發明一實施例中，所述二氧化鈦膜的厚度為2~3μπι。更優選地，所述二氧化鈦 膜的厚度為2μι。
[0013] 在本發明一實施例中，制備方法是利用陽極氧化法在所述鈦螺釘的外表面形成一 二氧化鈦膜。
[0014] 在本發明一實施例中，所述制備方法以含氟電解液作為電解液，以鉑片作為對電 極，進行恒壓陽極氧化后獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的鈦螺釘。
[0015] 在本發明一實施例中，所述含氟電解液包括:0.3~0.5wt %NH4F、2νο 1 %蒸餾水， 以及98 vol %乙二醇。
[0016] 在本發明一實施例中，所述制備方法包括以下步驟:步驟S10.制備含氟電解液，并 對鈦螺釘進行清洗及拋光;步驟S20.在所述含氟電解液內，以清洗并拋光后的所述鈦螺釘 作為陽極、以鉑片作為對電極，恒壓陽極氧化3~4小時后，獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的 鈦螺釘。
[0017] 在本發明一實施例中，在所述步驟S10中，所述含氟電解液的制備方法為:首先按 比例稱取NH4F、蒸餾水及乙二醇;然后，在反應器中依次加入所述乙二醇、NH4F、蒸餾水，獲 得所述含氟電解液。在所述步驟S10中，制備所述含氟電解液配置次序非常重要，這是因為 二氧化鈦膜形成的過程與電解液的解離有較強相關性。
[0018] 在本發明一實施例中，在所述步驟S10中，依次用丙酮、乙醇、去離子水對所述鈦螺 釘進行超聲清洗。
[0019] 在本發明一實施例中，在所述步驟S10中，用濃硫酸與氫氟酸的混合酸對清洗后的 所述鈦螺釘進行電化學拋光。
[0020] 在本發明一實施例中，所述濃硫酸與氫氟酸的體積比為4:1;所述電化學拋光的處 理電壓為15V，處理時間為1~2分鐘。
[0021] 本領域技術人員可以理解的是，如無特殊說明，本發明所述的試劑均為市售商品。
[0022] 在本發明中，通過在所述鈦螺釘外表面包覆二氧化鈦膜，既使所述鈦螺釘具有抗 菌效果，又對機體本身無毒副作用。同時，由于外固定支架螺釘穿經皮膚，暴露于機體外的 螺釘部分又可以利用光催化達到抑菌效果，有效阻斷了細菌感染的主要途徑和來源，進而 有效地防止了釘道感染。
【附圖說明】
[0023]圖1是實施例1獲得的本發明所述外固定支架用鈦螺釘的掃描電鏡圖；
[0024] 圖2是實施例1獲得的本發明所述外固定支架用鈦螺釘的X線衍射組分分析結果；
[0025] 圖3是實施例1獲得的本發明所述外固定支架用鈦螺釘的光催化抑菌驗證實驗中 菌落分布情況；
[0026] 圖4是實施例1獲得的本發明所述外固定支架用鈦螺釘與普通螺釘在釘道感染實 驗中分泌物細菌計數變化曲線。
【具體實施方式】
[0027] 以下，結合【具體實施方式】，對本發明的技術進行詳細描述。應當知道的是，以下具 體實施方式僅用于幫助本領域技術人員理解本發明，而非對本發明的限制。
[0028]實施例1.制備具有二氧化鈦膜的鈦螺釘及驗證
[0029]在本實施例中，制備本發明所述的具有二氧化鈦膜的鈦螺釘。所述具有二氧化鈦 膜的鈦螺釘的制備方法是以含氟電解液作為電解液，以鉑片作為對電極，進行恒壓陽極氧 化后獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的鈦螺釘。具體步驟如下。
[0030]首先，按照配方稱取所述含氟電解液的原料，所述含氟電解液包括:〇.3wt%NH4F、 2vol%蒸餾水，以及98vol%乙二醇。然后，在反應器中依次加入所述乙二醇、NH4F、蒸餾水， 獲得所述含氟電解液。在本步驟中，所述乙二醇、NH 4F、蒸餾水的添加順序十分重要，不能任 意調整順序，否則將無法在所述鈦螺釘的外表面上形成二氧化鈦膜，這是因為二氧化鈦膜 形成的過程與電解液的解離有較強相關性。
[0031]然后，依次用丙酮、乙醇、去離子水對所述鈦螺釘進行超聲清洗，然后，再利用濃硫 酸與氫氟酸的混合酸對清洗后的所述鈦螺釘進行電化學拋光，然后用離子水沖洗干凈;其 中，所述濃硫酸與氫氟酸的體積比為4:1;所述電化學拋光的處理電壓為15V，處理時間為1 ~2分鐘。
[0032]最后，在所述含氟電解液內，以清洗并拋光后的所述鈦螺釘作為陽極、以鉑片作為 對電極，恒壓陽極氧化3~4小時后，獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的鈦螺釘。
[0033] 上述獲得的鈦螺釘掃描電鏡結果請見圖1。圖1中，A、B及D圖為不同側面的掃描圖， C為頂面俯視圖。如圖1所示的，通過陽極氧化法制得的二氧化鈦膜均一，膜的厚度約為2μπι。 當然，可以通過調節電解液溫度、沉積時間、氧化電壓等條件來實現控制所述二氧化鈦膜的 厚度和粒子的形貌。
[0034]
【申請人】利用X線衍射組分分析上述獲得的鈦螺釘的表面物質組成，結果請見圖2， 各種元素的質量分數及摩爾分數見下表1。
[0035]表1 .X線衍射組分分析結果
[0036]
[0037] 由圖2及表1可見，0摩爾百分比為63.17% ±3.86%，Ti摩爾百分比為31.26 % 土 0.59%，0和Ti摩爾比為2.0207:1。因此，可以肯定本實施例獲得的所述鈦螺釘表面形成的 淺白色薄膜為Ti〇2。
[0038] 實施例2.本發明所述鈦螺釘的光催化抑菌驗證
[0039] 在本實施例中，對實施例1獲得的本發明所述的鈦螺釘進行光催化抑菌驗證。分別 取普通鈦螺釘和實施例1獲得的本發明所述鈦螺釘5枚進行抗菌實驗，分為普通螺釘組(TS 組)和二氧化鈦膜組(TC組）。在本實施例中，將鈦螺釘進行常規高溫高壓滅菌后放置在已接 種金黃色葡萄球菌菌株的固體培養基中。整個操作過程中在超凈臺下完成，避免雜菌污染。 然后，將固體培養基放置恒溫箱中孵化(加常規光照），1〇小時后觀察抑菌圈并記錄。測量抑 菌圈半徑，以螺釘中央為點，垂直于螺釘軸分別測量螺釘中央距離兩側抑菌圈的距離。SPSS 20.0F0R windows進行統計數據。
[0040] 首先，配置固體瓊脂培養基，配方請見表2。
[0041 ]表2.固體瓊脂培養基配方
[0042] -
[0043]
[0044] 培養基制備步驟：
[0045] 1、配制每升培養基，按培養基配方比例依次準確稱取并加入應該在950ml去離子 水中加入:胰化蛋白胨l〇g、酵母提取物5g、NaCl 10g，后在燒杯中加入95ml去離子水定容至 1L。用5mol/L的NaOH調pH至7.0。在稱取蛋白胨動作要快，避免蛋白胨接觸空氣吸潮后引起 質量配比異常，然后在高溫高壓下滅菌20分鐘。
[0046] 2、在高溫滅菌后溫度降下之前加入加15g瓊脂粉，攪拌均勻后在培養基凝固前倒 板。一般每個培養皿中加入l〇ml左右，倒板后打開培養皿蓋子，紫外燈照射10-15分鐘。
[0047] 3、保存:用封口膠封邊，并倒置放于4°C保存，一個月內使用。
[0048] 其次，接種金黃色葡萄球菌并放置所述鈦螺釘。
[0049] 將在-80°C保存的ATCC25920金黃色葡萄球菌凍存液解凍后，取適量接種到液體培 養基中，在37°C搖床中培養10h(細菌增殖對數期），鏡檢純粹后，用滅菌移液槍分別取200yL 加入準備好的培養基中，用細菌推棒涂勻，使平板表面充分浸潤菌液，靜置數分鐘后，將高 壓滅菌后的TS組螺釘及TC組螺釘分別放置在培養皿中央，輕壓螺釘使螺釘固定于培養皿中 央，然后置37°C溫箱中培養10h后觀察抑菌圈并記錄。
[0050] 請參見圖3，圖3是培養10h后培養基菌落分布情況。其中，圖3A為TS組分布情況，圖 3B為TC組分布情況。如圖3A及3B所示的，TC組抑菌作用較明顯，鈦螺釘周圍可見明顯抑菌 圈，而TS組鈦螺釘未見明顯抑菌圈。
[0051]
【申請人】分別測量了抑菌圈半徑：以螺釘中央為點，垂直于鈦螺釘軸分別測量螺釘 中央距離兩側抑菌圈的距離。相比于TS組(n = 2)，TC(n = 5)組能夠抑菌的個數明顯較對照 組多。TS組的抑菌半徑為2.96±2.86〇11，1'(：組的抑菌半徑為33.96±6.10〇11，？〈0.01，可見， TC組的抑菌半徑較TS組大。
[0052]由本實施例的實驗結果可見，本發明所述的鈦螺釘在可見光照下比普通鈦螺釘更 能夠明顯地抑菌。
[0053]實施例3.本發明所述的鈦螺釘預防釘道感染的驗證實驗 [0054]在本是實施例中，
【申請人】對本發明所述的鈦螺釘的釘道感染做了驗證實驗。取30 只新西蘭大耳白兔(雄性）為研究對象，SPF環境下適應性喂養1周（新西蘭大耳白兔達3月 齡)確定健康后，隨機分為二組，即：
[0055] A:釘道感染模型組（Model Set, M0)15 只和B: Ti〇2干預組（Ti〇2 intervent ion group，TG) 15只。
[0056] 實驗手術第24小時末，各組處死5只大耳白兔評價釘道感染情況；1周末，各組處死 另外5只評價釘道感染情況及骨折端成骨情況。4周末，各組處死剩余5只評價釘道感染情況 及骨折端成骨情況。實驗期間檢測新西蘭大耳白兔體重、排便等一般情況，定期拍攝釘道口 照片，備作后期統計分析。
[0057]分別在1天、1周及4周末處死兔子，在拔除外固定架后，迅速將無菌棉簽插入脛骨 干骺端螺釘釘道內，五分鐘后取出放入25ml 0.85%生理鹽水的離心管中（注意棉簽不得帶 入軟組織，整個過程中必須保證無菌）。
[0058] 細菌計數:細菌計數采用Baird-Parker平板計數法，步驟如下:將所取得的含有棉 簽的25ml菌液放入均質器(8000r/min處理2min)混勻；225ml 0.85%生理鹽水，制成1:10的 樣品勻液，吸取lml至9ml 0.85%生理鹽水中，做10倍遞增稀釋;選10~(-4)、10~(-5)和10~ (-6)三個適宜稀釋度的樣品勻液，每個稀釋度以0.31111、0.31111、0.41111接種三塊8 &化(1-Parker瓊脂平板，用無菌L棒涂布整個平板，放入37°C恒溫箱中16小時測量菌落數。并分別 按照以下方法記錄并計算細菌數量，請見表3。
[0059]表3.釘道分泌物細菌培養計數結果(M0組為普通鈦釘組;TG組為二氧化鈦涂層組）
[0060]
[0061] 由表3可見，在動物實驗初期，術后1天的兩組細菌數量較接近，統計學(對數值)無 差異(t = 1.134;p = 0.043);術后1周的兩組細菌數量(對數值)有統計學差異:t = 4.276;p =0.003;而術后4周的兩組細菌數量(對數值)則有顯著統計學意義:t = 8.373; p〈0.01。
[0062] 同時，請參見圖4,圖4是兩組隨時間變化釘道分泌物細菌計數變化曲線。如圖4所 示的，而TG組隨時間變化感染程度(細菌數量)一直處于較低水平，可見，本發明所述的鈦螺 釘具有明顯的抑菌作用。
[0063] 在本發明中，通過在所述鈦螺釘外表面包覆二氧化鈦膜，既使所述鈦螺釘具有抗 菌效果，又對機體本身無毒副作用。同時，由于外固定支架螺釘穿經皮膚，暴露于機體外的 螺釘部分又可以利用光催化達到抑菌效果，有效阻斷了細菌感染的主要途徑和來源，進而 有效地防止了釘道感染。
[0064]本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明的范例。 必需指出的是，已公開的實施例并未限制本發明的范圍。相反地，包含于權利要求書的精神 及范圍的修改及均等設置均包括于本發明的范圍內。
【主權項】
1. 一種外固定支架用鈦螺釘，其特征在于，所述鈦螺釘外表面包覆一二氧化鈦膜，所述 二氧化鈦膜的厚度范圍在1~4μηι之間。2. 如權利要求1所述的外固定支架用鈦螺釘，其特征在于，所述二氧化鈦膜的厚度為2 ~3um〇3. 如權利要求1所述的外固定支架用鈦螺釘的制備方法，其特征在于，制備方法是利用 陽極氧化法在所述鈦螺釘的外表面形成一二氧化鈦膜。4. 如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法以含氟電解液作為電解 液，以鉑片作為對電極，進行恒壓陽極氧化后獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的鈦螺釘。5. 如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述含氟電解液包括：0.3~0.5wt % NH4F、2 vo 1 %蒸餾水，以及98 vo 1 %乙二醇。6. 如權利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟： 步驟S10.制備含氟電解液，并對鈦螺釘進行清洗及拋光； 步驟S20.在所述含氟電解液內，以清洗并拋光后的所述鈦螺釘作為陽極、以鉑片作為 對電極，恒壓陽極氧化3~4小時后，獲得外表面包覆一二氧化鈦膜的鈦螺釘。7. 如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟S10中，所述含氟電解液的制 備方法為:首先按比例稱取NH4F、蒸餾水及乙二醇;然后，在反應器中依次加入所述乙二醇、 NH4F、蒸餾水，獲得所述含氟電解液。8. 如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟S10中，依次用丙酮、乙醇、去 離子水對所述鈦螺釘進行超聲清洗。9. 如權利要求6所述的制備方法，其特征在于，在所述步驟S10中，用濃硫酸與氫氟酸的 混合酸對清洗后的所述鈦螺釘進行電化學拋光。10. 如權利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述濃硫酸與氫氟酸的體積比為4:1; 所述電化學拋光的處理電壓為15V，處理時間為1~2分鐘。
【文檔編號】A61L31/08GK106037916SQ201610325914
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月17日
【發明人】王明海
【申請人】復旦大學附屬上海市第五人民醫院