一种外固定支架用钛螺钉及其制备方法
【专利摘要】发明提供一种外固定支架用钛螺钉。所述钛螺钉外表面包覆一二氧化钛膜，所述二氧化钛膜的厚度范围在1～4μm之间。在本发明中，通过在所述钛螺钉外表面包覆二氧化钛膜，既使所述钛螺钉具有抗菌效果，又对机体本身无毒副作用。同时，由于外固定支架螺钉穿经皮肤，暴露于机体外的螺钉部分又可以利用光催化达到抑菌效果，有效阻断了细菌感染的主要途径和来源，进而有效地防止了钉道感染。
【专利说明】
一种外固定支架用钛螺钉及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种外固定支架用钛螺钉及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 应用外固定支架治疗骨科疾病已有170余年的历史，骨外固定的概念起始法国医 生Malgaigne在1840年，以2枚钢钉经皮穿入胫骨骨折的两端，然后用可调整周径的皮带来 连接皮外的两枚钢钉控制骨折端的移位，由此骨外固定的概念正式兴起。第一个现代外固 定架是由美国医师Parkhill于1897年设计的。在他之后，又有很多医师设计了多种外固定 架系统，从此逐渐推动骨外固定器临床实用化。前苏联著名学者Ilizarov，他发明的多孔性 全环式外固定器及其"张力一一应力法则"技术理论是20世纪骨科发展史的里程碑之一。其 解决了许多传统治疗方法无法解决的医学难题，如对骨关节畸形及骨不连骨转移、骨重建 骨缺损，肢体延长的治疗取得举世瞩目成就。经过一个多世纪的不断改进，随着科技的不断 进步及几代人的不懈探索，各种支架不断问世，有环形支架、单边支架、多平面支架等目前 较为常用。
[0003] 20世纪以来，各种内固定技术不断进步，以钢板、螺钉和髓内钉等被广泛应用于骨 折和矫形治疗，然而因其需要切开正常组织，手术相对复杂等因素导致了内固定技术在实 际应用中仍有一定的局限性。随着社会交通的发展，严重的高能量损伤及多发性软组织损 伤愈来愈多见。在治疗这些难题时，外固定支架在治疗严重软组织损伤及复杂开放性下肢 骨折有其独特优势，因为它对机体的损伤小，手术操作简单。外固定架在处理合并严重软组 织损伤的骨折，快速方便地固定多发损伤患者的骨盆骨折、肢体骨折等方面优势突出，并且 科技的进步以及材料的更新同时还赋予了外固定支架延长、加压、成角、平移和旋转等功 能，对创伤、感染、肿瘤切除后造成的肢体骨质缺损和畸形的治疗有独特的优势。
[0004] 近年来，外固定支架大量的应用于临床的同时，其并发症也越来越引起重视。如废 用性骨质疏松、外固定支架松动、钉道感染、关节功能障碍、再骨折、骨折延迟愈合或不愈 合。其中，在应用外固定支架时最常见的并发症为钉道感染，有研究显示这种并发症的发生 率在临床工作中甚至超过了 50%，而且采用外固定支架治疗的患者中有1%发生了严重的 钉道感染。外固定支架固定的稳定性是其最关键和最基本的要求，并且要在保证牢固的前 提下兼顾早期功能康复训练。而钉道感染可造成螺钉松动影响外固定架的稳定性。临床上， 往往不需要处理仅仅局限于皮肤表面的感染，当感染加重时会导致螺钉松动甚至会导致骨 髓炎。
[0005] 随着生物医学的进步，钉道感染病理机制逐步被阐明。骨科内植物相关感染过程 从微观上可分为三个阶段。在螺钉植入初期，内植物迅速被血浆蛋白包绕，此时细菌细胞和 螺钉表面的蛋白层的结合是非特异性的，如通过范德华力，重力，库仑力。在第二阶段，细菌 细胞膜上的蛋白以及多糖锚定在螺钉表面的蛋白上，完成细菌的定植。第三阶段，部分细菌 会分泌保护性的表多糖，在此阶段，局部以及全身应用抗生素效果欠佳，也叫细菌生物膜的 形成。引起钉道感染最常见的病原菌为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。而最容易形成生物膜 导致抗生素耐药的病原菌为金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌。因此，新一代的螺钉材料应 注重在前期抑制细菌生物膜的形成。
[0006] 双氧水、75%的酒精、洗必泰、碘伏等为常用的术后钉道周围皮肤消毒方式。每周 一次用洗必泰清洗钉道周围皮肤是英国皇家护理学院社会矫形和创伤护理在2010年推荐 的方案。然而以何种方式清洗钉道周围皮肤尚无定论，近期一项关于钉道感染预防的meta 分析表明过多钉道护理并不会减少钉道感染的发生率。
[0007] 在预防钉道感染中，除了钉道周围护理，最常见的方式为全身应用抗生素，然而较 低的生物利用度、选择性差及血清毒性是该方法的弊端。为避免这些弊端，以螺钉涂层来减 少细菌的粘附逐渐取代了全身应用抗生素的方法。
[0008] 涂层抗菌的设计理念可分为两种，一种是以抗生素涂层为代表的抗菌涂层；另一 种通过增加骨-螺钉界面关系减少螺钉松动来间接降低钉道感染的发生率。较具代表性的 为具有杀菌特性的金属离子涂层，如银离子和铜离子，然而此类离子对机体的毒性作用现 在仍然存在争议。抗生素涂层可较迅速的在早期移植细菌的粘附，然而抗生素的释放较难 控制，如短时间内释放速度过快则产生毒性会抑制骨折部位的愈合;而在植入身体一段时 间后抗生素浓度不能达到有效抑菌浓度也是不利的，且局部应用抗生素所产生细菌耐药性 问题也不容忽视。抗生素缓释系统无疑是一个和更为合理的选择。目前多以PMMA、PDLLA为 载体，因为此类载体可以很大程度上减少耐药菌株的出现，这种新型局部给药方式被看作 是骨科器械发展的"未来〃。缓释系统也可以搭载一些生长因子实现抗菌，如Holt通过小鼠 外固定实验证明了细菌的增殖和生物膜形成可以被N0涂层明显的抑制。而Mutsuzaki等通 过动物实验发现，生长因子只能在短时间内维持效果，而在4周以后螺钉松动的几率在生长 因子释放殆尽后逐渐增加。这类技术较新，尚缺乏大量的体外及动物实验研究。
[0009] 因此，我们需要一种新的外固定支架用钛螺钉，既可以客服金属离子涂层的毒副 作用问题，又具有长期抗菌效果且效果可靠的钛螺钉，克服缓释系统效果短不稳定的问题。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种外固定支架用钛螺钉，通过在所述钛螺钉外表面包覆 二氧化钛膜，既使所述钛螺钉具有抗菌效果，又对机体本身无毒副作用。同时，由于外固定 支架螺钉穿经皮肤，暴露于机体外的螺钉部分又可以利用光催化达到抑菌效果，有效阻断 了细菌感染的主要途径和来源，进而有效地防止了钉道感染。
[0011] 为了实现上述目的，本发明首先提供一种外固定支架用钛螺钉。所述钛螺钉外表 面包覆一二氧化钛膜，所述二氧化钛膜的厚度范围在1~4μηι之间。
[0012] 在本发明一实施例中，所述二氧化钛膜的厚度为2~3μπι。更优选地，所述二氧化钛 膜的厚度为2μι。
[0013] 在本发明一实施例中，制备方法是利用阳极氧化法在所述钛螺钉的外表面形成一 二氧化钛膜。
[0014] 在本发明一实施例中，所述制备方法以含氟电解液作为电解液，以铂片作为对电 极，进行恒压阳极氧化后获得外表面包覆一二氧化钛膜的钛螺钉。
[0015] 在本发明一实施例中，所述含氟电解液包括:0.3~0.5wt %NH4F、2νο 1 %蒸馏水， 以及98 vol %乙二醇。
[0016] 在本发明一实施例中，所述制备方法包括以下步骤:步骤S10.制备含氟电解液，并 对钛螺钉进行清洗及抛光;步骤S20.在所述含氟电解液内，以清洗并抛光后的所述钛螺钉 作为阳极、以铂片作为对电极，恒压阳极氧化3~4小时后，获得外表面包覆一二氧化钛膜的 钛螺钉。
[0017] 在本发明一实施例中，在所述步骤S10中，所述含氟电解液的制备方法为:首先按 比例称取NH4F、蒸馏水及乙二醇;然后，在反应器中依次加入所述乙二醇、NH4F、蒸馏水，获 得所述含氟电解液。在所述步骤S10中，制备所述含氟电解液配置次序非常重要，这是因为 二氧化钛膜形成的过程与电解液的解离有较强相关性。
[0018] 在本发明一实施例中，在所述步骤S10中，依次用丙酮、乙醇、去离子水对所述钛螺 钉进行超声清洗。
[0019] 在本发明一实施例中，在所述步骤S10中，用浓硫酸与氢氟酸的混合酸对清洗后的 所述钛螺钉进行电化学抛光。
[0020] 在本发明一实施例中，所述浓硫酸与氢氟酸的体积比为4:1;所述电化学抛光的处 理电压为15V，处理时间为1~2分钟。
[0021] 本领域技术人员可以理解的是，如无特殊说明，本发明所述的试剂均为市售商品。
[0022] 在本发明中，通过在所述钛螺钉外表面包覆二氧化钛膜，既使所述钛螺钉具有抗 菌效果，又对机体本身无毒副作用。同时，由于外固定支架螺钉穿经皮肤，暴露于机体外的 螺钉部分又可以利用光催化达到抑菌效果，有效阻断了细菌感染的主要途径和来源，进而 有效地防止了钉道感染。
【附图说明】
[0023]图1是实施例1获得的本发明所述外固定支架用钛螺钉的扫描电镜图；
[0024] 图2是实施例1获得的本发明所述外固定支架用钛螺钉的X线衍射组分分析结果；
[0025] 图3是实施例1获得的本发明所述外固定支架用钛螺钉的光催化抑菌验证实验中 菌落分布情况；
[0026] 图4是实施例1获得的本发明所述外固定支架用钛螺钉与普通螺钉在钉道感染实 验中分泌物细菌计数变化曲线。
【具体实施方式】
[0027] 以下，结合【具体实施方式】，对本发明的技术进行详细描述。应当知道的是，以下具 体实施方式仅用于帮助本领域技术人员理解本发明，而非对本发明的限制。
[0028]实施例1.制备具有二氧化钛膜的钛螺钉及验证
[0029]在本实施例中，制备本发明所述的具有二氧化钛膜的钛螺钉。所述具有二氧化钛 膜的钛螺钉的制备方法是以含氟电解液作为电解液，以铂片作为对电极，进行恒压阳极氧 化后获得外表面包覆一二氧化钛膜的钛螺钉。具体步骤如下。
[0030]首先，按照配方称取所述含氟电解液的原料，所述含氟电解液包括:〇.3wt%NH4F、 2vol%蒸馏水，以及98vol%乙二醇。然后，在反应器中依次加入所述乙二醇、NH4F、蒸馏水， 获得所述含氟电解液。在本步骤中，所述乙二醇、NH 4F、蒸馏水的添加顺序十分重要，不能任 意调整顺序，否则将无法在所述钛螺钉的外表面上形成二氧化钛膜，这是因为二氧化钛膜 形成的过程与电解液的解离有较强相关性。
[0031]然后，依次用丙酮、乙醇、去离子水对所述钛螺钉进行超声清洗，然后，再利用浓硫 酸与氢氟酸的混合酸对清洗后的所述钛螺钉进行电化学抛光，然后用离子水冲洗干净;其 中，所述浓硫酸与氢氟酸的体积比为4:1;所述电化学抛光的处理电压为15V，处理时间为1 ~2分钟。
[0032]最后，在所述含氟电解液内，以清洗并抛光后的所述钛螺钉作为阳极、以铂片作为 对电极，恒压阳极氧化3~4小时后，获得外表面包覆一二氧化钛膜的钛螺钉。
[0033] 上述获得的钛螺钉扫描电镜结果请见图1。图1中，A、B及D图为不同侧面的扫描图， C为顶面俯视图。如图1所示的，通过阳极氧化法制得的二氧化钛膜均一，膜的厚度约为2μπι。 当然，可以通过调节电解液温度、沉积时间、氧化电压等条件来实现控制所述二氧化钛膜的 厚度和粒子的形貌。
[0034]
【申请人】利用X线衍射组分分析上述获得的钛螺钉的表面物质组成，结果请见图2， 各种元素的质量分数及摩尔分数见下表1。
[0035]表1 .X线衍射组分分析结果
[0036]
[0037] 由图2及表1可见，0摩尔百分比为63.17% ±3.86%，Ti摩尔百分比为31.26 % 土 0.59%，0和Ti摩尔比为2.0207:1。因此，可以肯定本实施例获得的所述钛螺钉表面形成的 浅白色薄膜为Ti〇2。
[0038] 实施例2.本发明所述钛螺钉的光催化抑菌验证
[0039] 在本实施例中，对实施例1获得的本发明所述的钛螺钉进行光催化抑菌验证。分别 取普通钛螺钉和实施例1获得的本发明所述钛螺钉5枚进行抗菌实验，分为普通螺钉组(TS 组)和二氧化钛膜组(TC组）。在本实施例中，将钛螺钉进行常规高温高压灭菌后放置在已接 种金黄色葡萄球菌菌株的固体培养基中。整个操作过程中在超净台下完成，避免杂菌污染。 然后，将固体培养基放置恒温箱中孵化(加常规光照），1〇小时后观察抑菌圈并记录。测量抑 菌圈半径，以螺钉中央为点，垂直于螺钉轴分别测量螺钉中央距离两侧抑菌圈的距离。SPSS 20.0F0R windows进行统计数据。
[0040] 首先，配置固体琼脂培养基，配方请见表2。
[0041 ]表2.固体琼脂培养基配方
[0042] -
[0043]
[0044] 培养基制备步骤：
[0045] 1、配制每升培养基，按培养基配方比例依次准确称取并加入应该在950ml去离子 水中加入:胰化蛋白胨l〇g、酵母提取物5g、NaCl 10g，后在烧杯中加入95ml去离子水定容至 1L。用5mol/L的NaOH调pH至7.0。在称取蛋白胨动作要快，避免蛋白胨接触空气吸潮后引起 质量配比异常，然后在高温高压下灭菌20分钟。
[0046] 2、在高温灭菌后温度降下之前加入加15g琼脂粉，搅拌均匀后在培养基凝固前倒 板。一般每个培养皿中加入l〇ml左右，倒板后打开培养皿盖子，紫外灯照射10-15分钟。
[0047] 3、保存:用封口胶封边，并倒置放于4°C保存，一个月内使用。
[0048] 其次，接种金黄色葡萄球菌并放置所述钛螺钉。
[0049] 将在-80°C保存的ATCC25920金黄色葡萄球菌冻存液解冻后，取适量接种到液体培 养基中，在37°C摇床中培养10h(细菌增殖对数期），镜检纯粹后，用灭菌移液枪分别取200yL 加入准备好的培养基中，用细菌推棒涂匀，使平板表面充分浸润菌液，静置数分钟后，将高 压灭菌后的TS组螺钉及TC组螺钉分别放置在培养皿中央，轻压螺钉使螺钉固定于培养皿中 央，然后置37°C温箱中培养10h后观察抑菌圈并记录。
[0050] 请参见图3，图3是培养10h后培养基菌落分布情况。其中，图3A为TS组分布情况，图 3B为TC组分布情况。如图3A及3B所示的，TC组抑菌作用较明显，钛螺钉周围可见明显抑菌 圈，而TS组钛螺钉未见明显抑菌圈。
[0051]
【申请人】分别测量了抑菌圈半径：以螺钉中央为点，垂直于钛螺钉轴分别测量螺钉 中央距离两侧抑菌圈的距离。相比于TS组(n = 2)，TC(n = 5)组能够抑菌的个数明显较对照 组多。TS组的抑菌半径为2.96±2.86〇11，1'(：组的抑菌半径为33.96±6.10〇11，？〈0.01，可见， TC组的抑菌半径较TS组大。
[0052]由本实施例的实验结果可见，本发明所述的钛螺钉在可见光照下比普通钛螺钉更 能够明显地抑菌。
[0053]实施例3.本发明所述的钛螺钉预防钉道感染的验证实验 [0054]在本是实施例中，
【申请人】对本发明所述的钛螺钉的钉道感染做了验证实验。取30 只新西兰大耳白兔(雄性）为研究对象，SPF环境下适应性喂养1周（新西兰大耳白兔达3月 龄)确定健康后，随机分为二组，即：
[0055] A:钉道感染模型组（Model Set, M0)15 只和B: Ti〇2干预组（Ti〇2 intervent ion group，TG) 15只。
[0056] 实验手术第24小时末，各组处死5只大耳白兔评价钉道感染情况；1周末，各组处死 另外5只评价钉道感染情况及骨折端成骨情况。4周末，各组处死剩余5只评价钉道感染情况 及骨折端成骨情况。实验期间检测新西兰大耳白兔体重、排便等一般情况，定期拍摄钉道口 照片，备作后期统计分析。
[0057]分别在1天、1周及4周末处死兔子，在拔除外固定架后，迅速将无菌棉签插入胫骨 干骺端螺钉钉道内，五分钟后取出放入25ml 0.85%生理盐水的离心管中（注意棉签不得带 入软组织，整个过程中必须保证无菌）。
[0058] 细菌计数:细菌计数采用Baird-Parker平板计数法，步骤如下:将所取得的含有棉 签的25ml菌液放入均质器(8000r/min处理2min)混匀；225ml 0.85%生理盐水，制成1:10的 样品匀液，吸取lml至9ml 0.85%生理盐水中，做10倍递增稀释;选10~(-4)、10~(-5)和10~ (-6)三个适宜稀释度的样品匀液，每个稀释度以0.31111、0.31111、0.41111接种三块8 &化(1-Parker琼脂平板，用无菌L棒涂布整个平板，放入37°C恒温箱中16小时测量菌落数。并分别 按照以下方法记录并计算细菌数量，请见表3。
[0059]表3.钉道分泌物细菌培养计数结果(M0组为普通钛钉组;TG组为二氧化钛涂层组）
[0060]
[0061] 由表3可见，在动物实验初期，术后1天的两组细菌数量较接近，统计学(对数值)无 差异(t = 1.134;p = 0.043);术后1周的两组细菌数量(对数值)有统计学差异:t = 4.276;p =0.003;而术后4周的两组细菌数量(对数值)则有显著统计学意义:t = 8.373; p〈0.01。
[0062] 同时，请参见图4,图4是两组随时间变化钉道分泌物细菌计数变化曲线。如图4所 示的，而TG组随时间变化感染程度(细菌数量)一直处于较低水平，可见，本发明所述的钛螺 钉具有明显的抑菌作用。
[0063] 在本发明中，通过在所述钛螺钉外表面包覆二氧化钛膜，既使所述钛螺钉具有抗 菌效果，又对机体本身无毒副作用。同时，由于外固定支架螺钉穿经皮肤，暴露于机体外的 螺钉部分又可以利用光催化达到抑菌效果，有效阻断了细菌感染的主要途径和来源，进而 有效地防止了钉道感染。
[0064]本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。 必需指出的是，已公开的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神 及范围的修改及均等设置均包括于本发明的范围内。
【主权项】
1. 一种外固定支架用钛螺钉，其特征在于，所述钛螺钉外表面包覆一二氧化钛膜，所述 二氧化钛膜的厚度范围在1~4μηι之间。2. 如权利要求1所述的外固定支架用钛螺钉，其特征在于，所述二氧化钛膜的厚度为2 ~3um〇3. 如权利要求1所述的外固定支架用钛螺钉的制备方法，其特征在于，制备方法是利用 阳极氧化法在所述钛螺钉的外表面形成一二氧化钛膜。4. 如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法以含氟电解液作为电解 液，以铂片作为对电极，进行恒压阳极氧化后获得外表面包覆一二氧化钛膜的钛螺钉。5. 如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含氟电解液包括：0.3~0.5wt % NH4F、2 vo 1 %蒸馏水，以及98 vo 1 %乙二醇。6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤： 步骤S10.制备含氟电解液，并对钛螺钉进行清洗及抛光； 步骤S20.在所述含氟电解液内，以清洗并抛光后的所述钛螺钉作为阳极、以铂片作为 对电极，恒压阳极氧化3~4小时后，获得外表面包覆一二氧化钛膜的钛螺钉。7. 如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10中，所述含氟电解液的制 备方法为:首先按比例称取NH4F、蒸馏水及乙二醇;然后，在反应器中依次加入所述乙二醇、 NH4F、蒸馏水，获得所述含氟电解液。8. 如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10中，依次用丙酮、乙醇、去 离子水对所述钛螺钉进行超声清洗。9. 如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S10中，用浓硫酸与氢氟酸的 混合酸对清洗后的所述钛螺钉进行电化学抛光。10. 如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述浓硫酸与氢氟酸的体积比为4:1; 所述电化学抛光的处理电压为15V，处理时间为1~2分钟。
【文档编号】A61L31/08GK106037916SQ201610325914
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】王明海
【申请人】复旦大学附属上海市第五人民医院