阅读说明：本技术 包括抗感染表面的医疗植入物 (Medical implant comprising an anti-infective surface ) 是由 V·贝利多-冈萨雷斯 N·高斯林 E·拉特尔 D·莫纳汉 R·拉瓦尔 J·汤普森 于 2019-02-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种医疗植入物,所述医疗植入物包括：植入物主体,所述植入物主体被配置用于用作医疗植入物；所述植入物主体上的表面,其中所述表面包括多个突出部(40),每个突出部具有在植入物主体近侧的基部、在植入物主体远侧的峰以及从基部延伸至峰的侧壁,其中所述表面具有在50至500个峰/11m<Sup>2</Sup>范围内的峰密度,并且其中突出部为渐缩的,使得每个突出部的峰处的宽度小于每个突出部的基部处的宽度。(The invention discloses a medical implant, comprising: an implant body configured for use as a medical implant; a surface on the implant body, wherein the surface comprises a plurality of protrusions (40), each protrusion having a base proximal to the implant body, a peak distal to the implant body, and a sidewall extending from the base to the peak, wherein the surface has between 50 and 500 peaks/11 m 2 A peak density within the range, and wherein the projections are tapered such that a width at the peak of each projection is less than a width at the base of each projection.)

包括抗感染表面的医疗植入物

技术领域

本发明涉及包括抗感染表面的医疗植入物。具体实施方案涉及医疗植入物，诸如假体关节(包括髋关节、膝关节、肩关节等)及其部件。

背景技术

医疗植入物的一个问题是其表面上的生物膜形成从而导致感染。细菌细胞可附着到医疗植入物的表面。细菌细胞可增殖并产生细胞外多糖粘液(EPS)从而形成其中安置细菌细胞的基质。这可持续到基质溢出使浮游细胞释放从而导致感染为止。针对此类生物膜形成和由此产生的感染的最佳防御为医疗植入物的宿主组织覆盖。

按照上文所述，希望提供具有下述表面的医疗植入物，该表面具有降低的细菌粘附性，同时促进或至少不会不利地影响宿主细胞粘附性。虽然已经进行了大量研究来探索表面化学性质的影响，但最近的趋势为阐明表面形貌在细胞附着过程中发挥的作用。植入物的成功设计应考虑针对宿主细胞(成骨细胞)粘附性的积极属性，并且同样限制细菌定植的有害影响。在现有技术中，已经分别考虑了这些双重目标，这在很大程度上反映了可用的文献和这些研究的重点。成骨细胞和细菌的粘附性也已在相同表面上进行了比较，但尚未在直接竞争中进行，因此还不清楚一种类型细胞的存在如何影响另一种类型细胞的粘附性。

一种此类现有技术的文献为Izquierdo-Barba等人编写的“Acta Biomaterials”，2015年，第15卷，第20页至28页。Izquierdo-Barba等人已公开对成骨细胞和金黄色葡萄球菌增殖具有选择性行为的纳米柱状涂层。此类涂层包含高密度的纳米柱状结构，这些纳米柱状结构会损害细菌粘附性。成骨细胞对此类表面的粘附性也被降低，但未降低至相同的程度。

发明人已考虑的一个问题为如何提供损害细菌粘附性(小的刚性细胞)而不会降低成骨细胞粘附性(相对大的能够变形的细胞)的纳米结构化表面。

发明人已考虑的另一个问题为此类纳米柱状表面的机械稳健性。纳米柱状结构很弱并且在使用中可易于破碎，从而导致纳米粒子释放到患者系统中。此类纳米粒子有可能对器官、组织和细胞造成不利影响。另外，在植入物储存期间或使用中对表面形貌的物理损坏将不利地影响表面在降低细菌粘附性方面的功能性能。

发明内容

本文描述了一种医疗植入物，所述医疗植入物包括：

植入物主体，所述植入物主体被配置用于用作医疗植入物，

所述植入物主体上的表面，

其中所述表面包括多个突出部，每个突出部具有在所述植入物主体近侧的基部、在所述植入物主体远侧的峰以及从所述基部延伸至所述峰的侧壁，

其中所述表面具有在50至500个峰/μm²范围内的峰密度，并且

其中所述突出部为渐缩的，使得每个突出部的所述峰处的宽度小于每个突出部的所述基部处的宽度。

发明人已背离现有技术的纳米柱状表面，以提供具有适当高的峰密度但也具有渐缩突出部的表面。高的峰密度仍然提供对小的刚性细菌细胞具有降低的粘附性的表面。然而，此类表面还提供较大的能够变形的宿主细胞能够触及的增加的表面积，并且因此此类宿主细胞的粘附性不降低至与纳米柱状表面结构相同的程度。

此外，渐缩突出部在机械上比柱状结构更稳健，从而降低了突出部在使用中破碎的可能性。因此，降低了纳米粒子引起不利的局部或全身组织反应的可能性。此外，机械稳健性的增加提供了植入物表面形貌，该植入物表面形貌不太可能被损坏，从而导致表面在抵抗细菌粘附性方面的功能性能降低。

在50至500个峰/μm²的峰密度范围内，峰密度可大于100、150或200个峰/μm²，小于400、300或250个峰/μm²，或由这些下限和上限的任何组合限定的范围。例如，已发现在细菌和宿主细胞的双重温育期间在抵抗细菌细胞增殖方面特别有效的一个此类表面具有介于200和250个峰/μm²之间的峰密度。如果峰密度过低，则细菌细胞粘附性可增加。如果峰密度过高，则各个突出部变得过窄且易碎。此外，较大的能够变形的宿主细胞能够触及的表面积可降低，从而降低宿主细胞的粘附性。

突出部的渐缩可被限定成使得每个突出部的基部处的宽度为在每个突出部的高度的4/5处的每个突出部的宽度的至少1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍或2倍。这不同于从基部到顶端具有大致恒定直径的柱状突出部。典型的现有技术的柱直径在30nm至100nm的范围内。本发明的渐缩允许提供落在该范围之外的较小尖端和/或较大基部，以将更好的机械稳健性与更好的粘附特性组合。

此外，每个突出部的峰可为圆形的，例如通过蚀刻。例如，每个突出部的圆形峰可具有在5nm至200nm、任选地15nm至100nm范围内的曲率半径。从表面上看，可预期圆形峰经由增加的表面积来增加细菌的粘附性。然而，相对高的峰密度结合圆形峰的组合以及细菌主体相对刚性并且可为球形或棒状的事实实际上导致了低细菌粘附性。此外，表面更易于粘附较大的能够变形的宿主细胞，这些较大的能够变形的宿主细胞可导致性能的总体改善。

突出部可具有在30nm至90nm范围内的从基部到峰的高度。在30nm至90nm的高度范围内，突出部的高度可大于40nm、小于80nm、70nm、60nm、50nm或45nm，或由这些下限和上限的任何组合限定的范围。现有技术的柱状结构通常具有介于100nm和300nm之间的高度。相比之下，如本文所述的较低高度的渐缩突出部在机械上更稳健并且可允许宿主细胞的更好粘附，同时仍抵抗细菌粘附性。此外，对表面进行蚀刻可同时降低峰高度并且还提供圆形峰，以便提供用于促进宿主细胞粘附性同时抵抗细菌粘附性的特征的有利组合。

表面可具有在＞5nm至18nm的范围内的表面粗糙度(Ra)。在该表面粗糙度范围内，表面粗糙度(Ra)可大于6nm、7nm或7.5nm，小于14nm、12nm、10nm或9nm，或在由这些下限和上限的任何组合限定的范围内。这与通常具有小于5nm的表面粗糙度的现有技术的柱状表面形成对比。就这一点而言，需注意，表面参数特征是相互关联的，并且因此突出部的形状的改变(柱状到渐缩)也可导致促进大的能够变形的宿主细胞的粘附性同时抵抗小的刚性细菌细胞的粘附性所需的最佳表面粗糙度的改变。

现有技术的柱状表面和如本文所述的表面的渐缩突出部之间的另一个差异为突出部的取向。柱状结构通常通过掠射角沉积技术形成，该掠射角沉积技术导致柱状突出部的倾斜角最大为30°。相比之下，本发明的渐缩结构可通过涂布和蚀刻技术形成，这些涂布和蚀刻技术导致突出部从植入物主体的表面垂直延伸。这可产生更为对称的表面结构，该表面结构尤其是在具有不平坦表面的三维植入物主体结构上更易于制造和能够再现地制造。

当考虑细菌和成骨细胞的粘附性时，已发现表面顺序也可为重要的，并且因此包括空间参数诸如偏斜度和尖峰值的重要性变得显而易见。例如，表面可具有相似的平均粗糙度，但相对于其空间参数明显不同。偏斜度为突出部高度分布柱状图中不对称性的量度，而尖峰值为表面相对于平均值是尖峰还是平坦的量度。两者都为有严格规定的数学参数。此外，两者均可根据如本文所述的表面的具体渐缩突出部结构而显著变化。例如，表面可具有在2.50至4.00范围内的尖峰值。在该范围内，表面的尖峰值可大于2.6、2.7、2.8或2.9，小于3.8、3.6、3.4或3.2，或在由这些下限和上限的任何组合限定的范围内。另外，表面可具有在-0.20至+0.30范围内的偏斜度。在该范围内，表面的偏斜度可大于-0.10、-0.05、0.00或0.05，小于0.25、0.20、0.15或0.10，或在由这些下限和上限的任何组合限定的范围内。尖峰值和偏斜度的这些值涉及渐缩突出部的形式，并且因此涉及表面对细菌和宿主细胞的机械稳健性和粘附性两者。

如本文所述的表面可由植入物主体上的涂层形成。然而，还设想可通过例如蚀刻将此类表面直接形成到植入物主体中。表面可由钛或钛合金诸如钛铝钒合金形成。此类材料与目前用于植入物主体诸如假体关节及其部件的那些材料一致。

附图说明

现在仅以举例的方式结合附图来描述本发明的实施方案，其中：

图1(a)示出了小的刚性细菌细胞和大的能够变形的宿主(哺乳动物)细胞如何与现有技术的纳米柱状表面相互作用的示意图；

图1(b)示出了现有技术的纳米柱状涂层的样本；

图2(a)示出了小的刚性细菌细胞和大的能够变形的宿主(哺乳动物)细胞如何与如本文所述的渐缩突出部表面相互作用的示意图；

图2(b)示出了如本文所述的涂层的样本；

图3至图6示出了如本文所述的表面的四个示例(分别称为样品18至21)；

图7示出了对图3至图6所示表面进行金黄色葡萄球菌表面竞争共培养测试后的表面覆盖度百分比(hMSC)；

图8示出了图3至图6所示的四个表面的峰密度；

图9示出了图3至图6所示的四个表面的平均特征尺寸(nm)；

图10示出了图3至图6所示的四个表面的表面粗糙度Ra(nm)；

图11(a)和图11(b)分别示出了偏斜度和尖峰值的表面参数；

图12示出了图3至图6所示的四个表面的尖峰值数据；

图13示出了图3至图6所示的四个表面的偏斜度数据；

图14示出了溅射涂布技术；

图15示出了包括蚀刻和涂布的表面处理步骤；并且

图16示出了假体髋关节的杆状物，其中已对该杆状物施用了如本文所述的表面处理。

具体实施方式

图1(a)为小的刚性细菌细胞10和大的能够变形的宿主(哺乳动物)细胞20如何与现有技术的纳米柱状表面30相互作用的示意图。纳米柱状表面包括多个柱状突出部30。典型的现有技术的纳米柱状涂层具有介于100nm和300nm之间的柱高、在30nm至100nm范围内的柱直径以及小于5nm的表面粗糙度Ra。柱状结构通常通过掠射角沉积技术形成，该掠射角沉积技术导致柱状突出部的倾斜角相对于竖直最大为30°。图1的示意图中未示出倾斜角，但该倾斜角可见于图1(b)所示的实际现有技术的纳米柱状涂层的图像中。

如在图1(a)中可见，细菌细胞小，具有刚性细胞壁，并且具有此类纳米柱状涂层的低接触表面积。因此，细菌细胞的粘附性低。相比之下，宿主细胞诸如人间充质干细胞(hMSC)较大且能够变形，并且部分地沿柱状突出部的侧壁向下延伸，从而具有较大的接触表面积和较高的相关联粘附性。也就是说，当与平坦表面相比时，宿主细胞对此类纳米柱状表面的粘附性仍降低。此外，如发明部分的背景技术和发明内容中所述，薄柱状突出部为相对易碎的，并且在储存期间或使用中可被损坏和破碎。这可能导致纳米粒子被释放到患者系统中，并且可能对器官、组织和细胞造成不利影响。另外，在植入物储存期间或使用中对表面形貌的物理损坏可不利地影响表面在降低细菌粘附性方面的功能性能。

图2(a)示出了小的刚性细菌细胞10和大的能够变形的宿主(哺乳动物)细胞20如何与如本文所述的渐缩突出部表面40相互作用的示意图。该表面具有在50至500个峰/μm²范围内的峰密度，并且这些突出部为渐缩的，使得每个突出部的峰处的宽度小于每个突出部的基部处的宽度。图2(b)示出了包括此类表面结构的实际样本。

与现有技术的纳米柱状结构一样，细菌细胞小且刚性，并且具有导致低细菌细胞粘附性的此类表面的低接触表面积。宿主细胞诸如人间充质干细胞(hMSC)较大且能够变形，并且部分地沿柱状突出部的侧壁向下延伸，从而具有较大的接触表面积和较高的相关联粘附性。然而，与图1的纳米柱状结构相比，渐缩突出部将接触表面积增加至离平坦表面不远的水平，使得宿主细胞的粘附性不会显著降低。因此，当与纳米柱状结构相比时，宿主细胞粘附性与细菌细胞粘附性的比率得到改善。此外，较小的渐缩突出部在机械上更稳健并且不易损坏和破碎。这改善了功能性能在使用中的可靠性并降低了破碎的纳米粒子引起不利的局部或全身组织反应的风险。

图3至图6示出了如本文所述的表面的四个示例(分别称为样品18至21)。所有表面共享峰密度在50至500个峰/μm²范围内的共同特征，并且突出部为渐缩的，使得每个突出部的峰处的宽度小于每个突出部的基部处的宽度。这些表面根据其更详细的结构而变化，如本说明书中稍后进一步描述。

开发了一种测试以使用改进的原子力显微镜(AFM)探针分析细菌在制备好的表面上的粘附性。该技术需要将单个细菌粘附到AFM探针上，然后使探针与表面涂层接触，从而允许细菌与表面形成附接，并且然后移除探针。测量并记录移除细菌所需的力。进行了一项研究，调查了在抛光表面光洁度或磁控溅射涂布工艺(样品18和21)之后表皮葡萄球菌和铜绿假单胞菌对钛合金(Ti6Al4V)表面的粘附性。结果如下表1所示。

结果表明，样品18遇到了来自AFM探测任一细菌菌株的最少数目强粘附性。

进行了“表面竞争”测试，用于确定引入的细菌菌株在与人间充质干细胞(hMSCs)竞争中定植并包封表面的速率。这通过在细菌和hMSC双重温育24小时后定量hMSC的表面覆盖度来测量。在该测试中，在100％湿度下将Ti6Al4V表面暴露于金黄色葡萄球菌细菌悬浮液(5x10²个细菌/ml)60分钟。从悬浮液中移除样本，从而移除任何未附着的细菌。将hMSC接种在细菌涂布的样本(3×10⁴个细胞/ml)上，并在37°下在潮湿的5％的CO₂气氛中保持24小时。24小时时间点处的hMSC表面覆盖度与对照样本(sm.contr.)一起示于图7中。

根据对结果的分析，似乎样品18在抵抗金黄色葡萄球菌细菌菌株在24小时期间的增殖方面最成功。重要的是要记住，在这些测试中，如果给予足够长的时间，则细菌菌株不可避免地要与hSMC竞争以覆盖表面。这是由于细菌菌株的活力以及缺乏可用于抵抗表面生物膜形成的免疫应答。

图8示出了图3至图6所示的四个表面的峰密度(/μm²)。至少在本研究的上下文中，所有表面具有在50至500个峰/μm²范围内的峰密度，其中最成功的样本(样本18)具有大约225个峰/μm²的峰密度，表示该参数的优选值。

图8的数据使用分析软件生成，该分析软件从表面高度数据中的峰导出顶点。分析软件将峰定义为高于所有八个最近邻点的任何点。顶点被约束为隔开包括3D测量区域的最小“X”或“Y”维度至少1％。另外，仅在高于平均平面最低点处的深度5％的阈值之上发现顶点。

图9示出了图3至图6所示的四个表面的平均特征尺寸(nm)。至少在本研究的上下文中，所有表面具有在25nm至65nm范围内的平均特征尺寸，其中最成功的样本(样本18)具有表示该参数的优选值的大约35nm的平均特征尺寸。就这一点而言，使用可商购获得的软件(Gwyddion软件)按照图像处理阈值操作来计算平均特征(或晶粒)尺寸，该图像处理阈值操作对图像进行分段以便识别代表性晶粒，排除非常小的特征，然后通过对所识别的晶粒的等效正方形尺寸求平均值来计算平均特征尺寸。

图10示出了图3至图6所示的四个表面的表面粗糙度Ra(nm)。至少在本研究的上下文中，所有表面具有在＞5nm至18nm范围内的表面粗糙度(Ra)，其中最成功的样本(样本18)具有表示该参数的优选值的大约8nm的表面粗糙度。

图11(a)和图11(b)分别示出了偏斜度和尖峰值的表面参数。如先前的发明内容部分所述，偏斜度为突出部高度分布柱状图中不对称性的量度，而尖峰值为表面相对于平均值是尖峰还是平坦的量度。

图12示出了图3至图6所示的四个表面的尖峰值数据。至少在本研究的上下文中，所有表面具有在2.50至4.00范围内的尖峰值，其中最成功的样本具有大约3.00的值，该值表示该参数的优选值。

图13示出了图3至图6所示的四个表面的偏斜度数据。至少在本研究的上下文中，所有表面具有在-0.20至+0.30范围内的偏斜度，其中最成功的样本(样本18)具有大约0.075的值，该值表示该参数的优选值。

除了上述之外，还应当指出的是，样本18具体地表现出圆形峰。如先前所指出的那样，相对高的峰密度结合圆形峰的组合以及葡萄球菌属(Staphylococcus)细菌体通常为球形和相对刚性的事实实际上导致了低细菌粘附性。此外，表面更易于粘附较大的能够变形的宿主细胞，这些较大的能够变形的宿主细胞可导致性能的总体改善。

如发明内容部分所述，如本文所述的表面可由植入物主体上的涂层形成。然而，还设想可通过例如蚀刻将此类表面直接形成到植入物主体中。表面可由钛或钛合金诸如钛铝钒合金形成。此类材料与目前用于植入物主体诸如假体关节及其部件的那些材料一致。

一种此类方法利用溅射涂布技术。图14示出了溅射涂布技术。离子源将氩离子引导到靶中，该靶可由钛或钛合金形成并且用作溅射源。原子从靶中射出并涂布在适当放置的基底上，在这种情况下，该基底为植入物主体，诸如假体关节或其部件。该方法可利用蚀刻(例如，化学和/或离子蚀刻)、钝化和涂布步骤。图15示出了包括蚀刻和涂布的表面处理步骤。下表列出了用于制造先前已讨论的样本18至样本21的许多不同工艺。

可定制每个步骤的具体条件以实现所需的最终表面光洁度。具体的操作参数值将根据所用的设备而变化。然而，考虑到本文所提供的教导内容及其对蚀刻和沉积设备的通用常识，本领域的技术人员将能够调整操作参数以相对容易地实现所需的最终表面光洁度。关键特征为知道具体应用需要什么表面结构。

图16示出了假体髋关节的杆状物，其中已对该杆状物施用了表面处理。该部件已被分段以允许更好地表征表面结构。杆状物包括无孔区域以及还包括由多孔涂层形成以促进骨粘附性和向内生长的区域两者。可将如本文所述的涂层施用到医疗植入物的多孔区域和无孔区域两者。此外，与使用掠射角沉积技术制造纳米柱状表面的现有技术方法相比，可以可靠地涂布相对复杂的三维植入物部件。

因此，本说明书使得能够提供具有可控纳米形貌的先进钛植入物，以用于细菌和哺乳动物细胞粘附性的双重调控。虽然已结合某些实施方案描述了本发明，但应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，可提供各种另选的实施方案。