专利名称：用抗微生物金属离子对掺杂沸石的塑料的后加载的制作方法用抗微生物金属离子对掺杂沸石的塑料的后加载本专利申请对2009年11月25日提交的序列号为61/264，289的美国临时申请和2010年2月2日提交的序列号为61/300，631的美国临时申请要求优先权，将这些临时申请的公开内容并入本文中。由于各种原因(包括矫形学(例如髋关节置换术(hip replacement)、脊柱手术(spinal procedures)、膝关节置换术、骨折修复等)),将可植入医疗器件植入体中。鉴于此类器件的结构完整性要求，其制造材料受到限制，通常包括金属、塑料和复合材料。从这些器件获得的益处经常被可导致败血症和死亡的感染所抵消。引起感染的最常见的有机体是表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和金黄色葡萄球菌 (Staphylococcus aureus)。其它革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌和真菌有机体也会带来问题。尤其受关注的是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)(—类耐受许多抗生素的葡萄球菌属细菌)。结果，MRSA感染比普通的葡萄球菌感染更加难以治疗并且已变为一个严重的问题。许多病原菌可在经生物工程处理的(bioengineered)植入物上形成被称为“生物膜”的多细胞覆盖层。生物膜可通过提供稳定的保护性环境来促进微生物的增殖和传播。当这些生物膜充分形成时，能播散细菌性浮游生物雨(bacterial planktonic showers),这可导致广泛的全身性感染。经生物工程处理的材料充当用于形成细菌性生物膜的优异宿主。偶尔地，植入物(该植入物本身携带感染性有机体)形成由感染性有机体播种的非常坚韧的生物膜。当发生此情况时通常必须将植入物除去，必须用一种或更多种抗生素对患者进行长期治疗，以试图治愈感染，然后再植入新的植入物。这显然使患者经受额外的创伤和疼痛，且极其昂虫贝o因此，已进行了许多研究，致力于通过使用与此类器件中所采用的材料的表面结合的抗微生物剂(例如抗生素)来防止细菌有机体和真菌有机体在矫形植入物的表面上的建群。例如，银是一种强有力的天然抗菌物并且预防感染。作为催化剂，银可使单细胞细菌、病毒和真菌在其氧代谢中所需要的酶失去功能。(银)使这些微生物窒息，但人体酶或人体化学的各部分不发生相应的损害。结果是体中致病有机体的毁灭。银破坏细菌膜、膜间酶和DNA转录。陶瓷(例如沸石)起阳离子笼(cage)的作用，能够被银和其它具有抗微生物性质的阳离子加载(loaded)。例如，通过将金属沸石与用作热塑性材料的树脂混合而制成可植入器件、或者作为涂料施加在这些器件上，可以将金属沸石用作抗微生物剂；参见例如美国专利第6，582，715号，通过引用将该专利的公开内容并入本文。可通过用铵离子和抗微生物金属离子来替换沸石中所有或部分的可离子交换的离子来制备抗微生物金属沸石。优选地，不替换所有的可离子交换的离子。已发现有用于植入物的一种特定的热塑性树脂是聚醚醚酮(PEEK)。聚醚醚酮是合适的，因为其模量与骨的模量接近匹配。有可能在高温和高剪切的条件下，例如通过以下方式将抗微生物沸石(例如银沸石)掺合入聚醚醚酮中将掺杂的金属沸石混合入熔融的聚醚醚酮(熔点为300至400°C)中，然后对该复合材料共混物进行模塑和加工。纯的聚醚醚酮呈非常淡的棕褐色而银沸石呈白色。然而，加热的熔体在加工后变为深褐色。颜色发展(color development)的原因可包括一些银被氧化成银氧化物,相比于附着于沸石笼上的纯银阳离子，银氧化物可能溶解度较低且较不有效。银金属能具有催化性能且可导致聚醚醚酮聚合物的断裂和部分分解。经批准用于植入的各等级的聚醚醚酮是非常纯且惰性的，并且在被允许植入哺乳动物中之前需要经过严格的细胞毒性测试。组给予了一系列用于在临床研究之前评价医疗器件的生物相容性的标准。这些文件以三方协议为先导并且是医疗器件的安全使用评估的协调(harmonization)的一部分。这些标准包括 ISO 10993-1:2003医疗器械的生物学评价第I部分评价和测试 ISO 10993-2:2006医疗器械的生物学评价第2部分动物福利要求ISO 10993-3:2003医疗器械的生物学评价第3部分基因毒性、致癌性和繁殖毒性的测试ISO 10993-4:2002/Amd 1:2006医疗器械的生物学评价第4部分与血液的相互作用的测试的选择 ISO 10993-5:2009医疗器械的生物学评价第5部分体外细胞毒性的测试 ISO 10993-6:2007医疗器械的生物学评价第6部分植入后局部影响的测试
ISO 10993-7:1995医疗器械的生物学评价第7部分环氧乙烷灭菌残留物
ISO 10993-8:2001医疗器械的生物学评价第8部分参考材料的选择
ISO 10993-9:1999医疗器械的生物学评价第9部分潜在降解产物的鉴定和定量的
框架
ISO 10993-10:2002/Amd 1:2006医疗器械的生物学评价第10部分刺激和迟发型超敏反应的测试
ISO 10993-11:2006医疗器械的生物学评价第11部分全身毒性的测试 ISO 10993-12:2007医疗器械的生物学评价第12部分样品制备和参考材料(仅提供英文版)
ISO 10993-13:1998医疗器械的生物学评价第13部分来自聚合物医疗器械的降解产物的鉴定和定量
ISO 10993-14:2001医疗器械的生物学评价第14部分来自陶瓷的降解产物的鉴定
和定量
ISO 10993-15:2000医疗器械的生物学评价第15部分来自金属和合金的降解产物
的鉴定和定量
ISO 10993-16:1997医疗器械的生物学评价第16部分降解产物和可浙滤物的毒物代谢动力学研究设计
ISO 10993-17:2002医疗器械的生物学评价第17部分可浙滤物质的容许限度的确 ISO 10993-18:2005医疗器械的生物学评价第18部分材料的化学表征 ISO/TS 10993-19:2006医疗器械的生物学评价第19部分材料的生理-化学、形态学和拓扑表征
IS0/TS 10993-20:2006医疗器械的生物学评价第20部分医疗器械的免疫毒理学测试的原则和方法
被银催化同时将银沸石掺合入PEEK中的反应在高温下有可能产生毒性材料，所述毒性材料可导致产品不能通过这些测试。另外，在这些高的加工温度下，如果其不是非常干燥，则金属沸石可释放出湿气。这种湿气可导致在聚合物熔体中形成空隙并且可有助于PEEK聚合物的分解以及掺合入抗微生物沸石中的金属(例如银、铜和/或锌)的氧化。尽管空隙的存在对于某些非载荷应用而言并不关键，但是无空隙对于载荷应用(例如脊柱修复)而目却是关键的。如果在空气中进行掺合金属沸石的加工，则当温度升高时可发生严重的氧化并且湿气和氧气与金属离子接触。银将快速地变暗成为深褐色或黑颜色。此外，将显著量的金属沸石掺合入PEEK聚合物中可影响组合物的粘度和流变学。 因此，合意的是，提供具有有效抗微生物活性的医疗器件，以便减少细菌的生长和感染的风险，从而使其不遭受上述缺点。概述
通过本文中公开的实施方式已克服了现有技术的缺点，所述实施方式涉及具有由无机抗微生物剂所产生的抗微生物性质的器件(例如手术植入物)、以及在已将陶瓷掺合入塑料之后用抗微生物金属阳离子对陶瓷颗粒进行后加载(post load)，并且优选使其冷却并且定形为其最终形状(可通过注塑或者通过切割和机械加工来实现)的方法。在某些实施方式中，所述器件是矫形植入物。在某些实施方式中，抗微生物剂是陶瓷物质(ceramicspecies),优选是金属沸石。在某些实施方式中,所述器件包含聚合物。在某些实施方式中，所述聚合物是聚芳基醚醚酮(PEEK)。在某些实施方式中，抗微生物活性的来源包括沸石中所含有的可离子交换的阳离子。在某些实施方式中，公开了经由掺合入引入患者中的器件中的沸石，通过离子交换来控制某些阳离子的递送，以此赋予器件抗微生物活性的方法。在某些实施方式中，金属阳离子以低于离子交换容量的水平存在于至少一部分沸石颗粒中。在某些实施方式中，将沸石掺合入器件中，并且用来自作为一种或更多种金属离子的来源的一种或更多种水溶液的金属离子加载表面暴露的沸石。通过手术将器件引入体内。释放的速率取决于用沸石加载PEEK的程度和用金属离子加载暴露的沸石的程度。血液和体液中的电解质浓度相对恒定，并且将导致与来自植入物表面的离子(例如银、铜和锌等)的离子交换，这使革兰氏阳性和革兰氏阴性有机体(包括大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus))失活或被杀死。甚至在40 ppb的低金属离子浓度下，也实现有效的抗微生物控制(例如，微生物减少6个对数)。当在X射线下观察时保持福射不透明性(radio opacity)。详述
本文公开的实施方式涉及陶瓷(优选沸石)作为阳离子笼与医疗植入物组合来递送并给予(dose)—种或更多种抗微生物阳离子的用途。合适的阳离子包括银、铜、锌、汞、锡、铅、金、铋、镉、铬和铊离子，其中优选银、锌和/或铜，特别优选银。天然沸石或者合成沸石可用于制造本文公开的实施方式中所使用的沸石。“沸石”是由式XM2/nO Al2O3 YSiO2 ZH2O所代表的具有三维骨架结构的铝硅酸盐，其中M代表可离子交换的离子，通常为一价或二价的金属离子；n代表该(金属)离子的原子价；X和Y分别代表金属氧化物和二氧化硅的系数；Z代表结晶水的数目。此类沸石的例子包括:A型沸石、X型沸石、Y型沸石、T型沸石、高二氧化硅沸石、方钠石、丝光沸石、方沸石、斜发沸石、菱沸石和毛沸石。可将沸石掺合入一系列聚合物的母料中。为了最终掺合入PEEK中，应当通过掺合典型约20%的沸石来制备母料。当以此形式提供时，通过在高温和高剪切下与更多原始的(virgin) PEEK混合，可进一步减小含有沸石颗粒的母料PEEK的粒料。如果沸石中存在金属，则这将会导致第二次暴露于可导致产品劣化的条件。其它合适的树脂包括低密度聚乙烯、聚丙烯、超高分子量聚乙烯或聚苯乙烯、聚氯乙烯、ABS树脂、硅酮、橡胶、和它们的混合物，以及增强树脂(例如陶瓷或者碳纤维增强的树脂，尤其碳纤维增强的PEEK)。可通过将一种或更多种增强材料(例如碳纤维)分散在聚合物基体中(例如通过可植入的PEEK聚合物与碳纤维的双螺杆混合(compounding))来制备后者。所得碳纤维增强产品可以用于直接注塑最终器件和接近最后的形状(near net shapes),或者可以将其挤压成用于机械加工的还料形状(stock shapes)。纤维或其它一种或更多种合适的增强材料的掺入提供杨氏模量为12GPa(与皮质骨的模量匹配)的高耐磨性并且提供足够的强度以允许其应用于非常薄的植入物设计中，所述设计更有效地将应力分布到骨骼。可改变掺合入树脂(例如PEEK)中的增强材料(例如碳纤维)的量，以便改变杨氏模量和挠曲强度。一个合适的量是30重量％碳纤维。也可以将树脂制成为多孔的，例如多孔的PEEK、PAEK和PEKK，其中合适的孔隙率包括50体积％至85体积％的孔隙率。以直径计，平均孔径通常大于180微米，合适地为约300至约700微米。可以使用孔形成剂(例如氯化钠)来赋予多孔性，以通过本领域中已知的方法产生包含多个互连的孔的多孔聚合物。可以将上述的各聚合物配制成含有合适量的沸石颗粒，通常约20重量％。对于植入器件来说，优选超高分子量聚乙烯(UHMWPE)。掺合入植入物树脂中的沸石颗粒的典型的量在0. 01至50重量％(更优选0. 01至8. 0重量％、最优选0. I至5. 0重量％)的范围内。如果用加载沸石的涂料或树脂来涂布植入物，则在进行浸溃之前需要施涂该涂层并使其干燥或固化。对用于涂布植入物的方法没有特别限制，可以包括喷涂、涂漆或浸涂。当混合入PEEK母料时，例如在用原始的树脂进行减小之前应防止PEEK受到湿气源和污染源的影响。可通过在高温和高剪切的条件下将熔融母料与稀释的(let down)树脂共混来进行混合。所述母料是在热加工成载体树脂期间被包封的颜料和/或添加剂(例如沸石粉)的浓缩混合物，随后将所述载体树脂冷却并切割成颗粒形状。母料的使用允许加工者在塑料制造过程中经济且简单地将添加剂引入原料聚合物(稀释的树脂)中。根据某些实施方式，可通过以下方式来制备更纯、更稳定的产品用纯的沸石(例如，尚未用抗微生物金属离子加载的沸石、或者仅部分加载抗微生物金属离子的沸石)，例如可购自W.R. Grace & Co. _ Conn.的X型沸石(其能够携带阳离子金属离子负荷(cargo)例如Ag+、Cu++、Cu+、或者Zn+)加载聚合物，随后用来自金属离子源例如金属离子水溶液(例如单独或组合的硝酸银、硝酸铜和硝酸锌)的金属离子加载经冷却的(例如冷却到大约0至100°C的温度、优选大约室温)的含沸石的PEEK表面。冷却到较低的温度可获得较低的加载率但获得较高的稳定性。可通过将系统维持在压力下(例如在蒸煮器或高压釜中)，在甚至更高温度下以较快的速率进行加载。可通过调节溶液中各离子种类(或者盐)的浓度来控制各离子的含量。在已将沸石掺合入聚合物树脂中之后将金属阳离子掺合入沸石，由此减小或消除金属离子的氧化。本领域技术人员将理解，可以使用其它金属离子盐(例如乙酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、氧化物等)溶液来代替硝酸盐，或者除了硝酸盐以外还可以使用其它金属离子盐(例如乙酸盐、苯甲酸盐、碳酸盐、氧化物等)溶液。将硝酸加入到浸溃溶液中还可以具有以下优点其能腐蚀植入物的表面，为离子交换提供额外的表面积。因为PEEK容易受到强氧化性酸的溶解，所以应注意不使用可导致金属沸石颗粒从该表面释放的过高的酸浓度。PEEK是非常稳定的，并且对水和体液不可渗透。结果，预期当该沸石笼在聚合物表面暴露时，掺合入分散于PEEK中的沸石笼中的金属离子才流出。 于此原因，有可能通过后处理，后掺合入从溶液中获得的至少与从掺合入热混合物中的金属沸石中获得的金属离子一样多的金属离子。实际上，预期来自该后掺合系统的金属离子的可得性显著更高，因为金属离子将是纯的并且将不经历热氧化或者与聚合物的热反应。沸石中的金属离子的量应足够大，使得它们以抗微生物有效量存在。例如，合适的量可以是在暴露的沸石(w/w%)的约0. I至约20或30%的范围内。通过完全萃取和通过原子吸收测定萃取溶液中的金属离子浓度，可以确定这些水平。优选地，经离子交换的抗微生物金属阳离子以小于陶瓷颗粒的离子交换容量的水平存在。优选将铵离子的量限制为约0.5到约15重量％、更优选为I. 5至5重量％。对于其中强度不是最重要的应用，可使沸石的加载(率)高达50%。在此类加载情况下，金属离子的渗透可以由于颗粒间接触而充分渗透入表面层之下，并且大得多的金属离子加载是可能的。掺合入树脂中的沸石的量也应是有效用于促进抗微生物活性的量；例如，足以防止或抑制细菌和/或真菌有机体的生长或者优选杀死细菌和/或真菌有机体的量。树脂中沸石的合适的量是在约0. 01至50. 0重量％、更优选约0. 01至8. 0重量％、最优选约0. I至约5. 0重量％的范围内。可以在金属盐的溶液中进行将金属离子吸收入在水性分散体中的或者加载在聚合物中的合成沸石或天然沸石中。吸收的速率将与可利用的沸石表面积、溶液中的金属离子的浓度和温度成正比。当被沸石吸收的金属浓度增加时，(吸收)速率将下降。当吸收的速率达到释放的速率时，则在该溶液浓度下达到平衡。溶液中的较高浓度可驱动较高的加载。可以用去离子水冲洗经加载的沸石，以完全去除附着的金属离子溶液。目的是仅使经离子交换的金属阳离子吸附在笼中，并且它们只通过离子交换而被除去，不会被去离子水去除。就释放到矫形植入物而言，最有用的掺合离子是银离子、铜离子和锌离子。所有这三种离子都具有抗微生物性质，其中银是最具活性的。就抗微生物活性而言，金属之间还可存在协同作用。例如，如果微生物对一种金属种类形成抗性，则仍可以通过其它金属中的一种金属容易地将其杀死。铜离子和锌离子在愈合和伤口修复和骨生长中也发挥进一步的作用。例如，通过使PEEK沸石复合材料与含有铵离子和抗微生物金属离子(例如银、铜、锌等)的混合水溶液接触，可以对该材料进行加载。可以进行浸溃的最合适的温度在5°C至75°C的范围内，但如果将反应容器保持在压力下也可使用更高的温度，甚至高于100°C。较高的温度将显示增加的浸溃速率，但较低的温度可以最终实现较均匀和较高的加载。浸溃溶液的pH可以在约2至约11的范围内，但优选在约4至约7的范围内。铵离子的合适来源包括硝酸铵、硫酸铵和乙酸铵。抗微生物金属离子的合适来源包括银离子来源，例如硝酸银、硫酸银、高氯酸银、乙酸银、硝酸银二胺和硝酸银二胺；铜离子来源，例如硝酸铜(II)、硫酸铜、高氯酸铜、乙酸铜、四氰基铜钾(tetracyan copperpotassium);锌离子来源,例如硝酸锌(II)、硫酸锌、高氯酸锌、乙酸锌和硫氰酸锌。下面是浸溃溶液的说明性实例，但宽范围的浓度和比率是有效的。浸溃溶液A


公开了用抗微生物金属阳离子对陶瓷颗粒进行后加载的方法。在某些实施方式中，经后加载的颗粒是沸石，其中已将沸石掺合入树脂中并且将该组合用作可植入器件。在某些实施方式中，聚合物是热塑性聚合物，例如聚芳基醚醚酮(PEEK)。在某些实施方式中，抗微生物活性的来源包括沸石中含有的可离子交换的阳离子。在某些实施方式中公开了如下方法经由掺合入所述器件中的沸石，通过离子交换来控制某些阳离子的递送，从而赋予所述器件抗微生物活性。