[发明专利]具有嵌入式电子器件的纤维加强的复合物整形外科装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2011年7月15日提交的、且名称为“FIBER-REINFORCED COMPOSITE ORTHOPAEDIC DEVICE HAVING EMBEDDED ELECTRONICS”的美国临时申请序列号61/508,397的优先权和全部权益，该申请的全部内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本公开涉及整形外科装置。

背景技术

多层复合材料用于整形外科固定装置中。热塑性和热固性纤维加强的复合材料用来加强、修复或甚至替换金属结构。当用于整形外科装置中时，复合物结构应独立于其使用范围（例如，在骨骼或其它组织周围）被监视，特别是对于承载结构而言，以避免由于结构开裂、分层或纤维与基质分离而造成的灾难性失效。高强度复合材料常常被制造为带或薄片形式，原本被称作预浸渍材料或“预浸体”，并且因此通常需要嵌入于该结构内的传感器或“智能条带”，这取决于必须被监视的结构层。在空心的整形外科植入物的情况下，这些传感器通常被放置成离中性轴线尽可能远，以确保对于所施加的力和力矩的充分敏感性。

在诸如植入物的结构中的嵌入式传感器通常由于传感器和无线电子器件的尺寸而减小了复合材料的机械性质。在预浸带围绕心轴缠绕之后在预浸带中机械加工出容槽(pocket)也导致了不连续纤维端部的数量增加，从而导致局部应力上升和增加的不良生物反应的风险。在复合物结构中使用光纤传感器来在制造期间实时监视复合材料固化，并且监视复合物结构的使用中的结构的健康也需要昂贵的信号处理和询问技术，并且由于其较大的大小，使得它们不能在不对其物理性质造成有害影响的情况下嵌入于复合物结构中。此外，光纤传感器在经受机械载荷和环境变化，诸如使得界面易于分离的温度和湿气时倾向于在层压件中引起局部应力，并且它们表现出较差的处置特征，即，它们不太可能在与复合物加工相关联的高温和高压下幸存。

此外，因为需要应变测量元件与主结构永久机械联接以便无损地有效地传输由于滑动或粘合失效造成的应变，使用薄膜测定方法的尝试由于在溅射过程中所需的高温而对聚合物结构造成热损坏。

可通过以类似于加强玻璃或碳纤维的方式将应变计单元集成到预浸条带内而实现到主基板的结合。将光纤传感器直接集成到主复合物部件内，即集成到复合物带内为另一选项，但这些装置需要昂贵的信号处理和询问技术。此外，它们为精细结构，使得它们不太适合于整形外科应用。

发明内容

传感器可嵌入于加强复合物结构内以使得能监视施加在结构上的生物机械力以及监视在使用中结构的效果。如在下文中进一步描述地，（多个）低成本的嵌入式传感器可用于例如长丝缠绕的复合物整形外科结构中用来测量静态和循环应变。（多个）传感器可嵌入于碳纤维加强的聚醚醚铜（PEEK）复合物部件内，使得（多个）传感器充当“智能结构”。即，（多个）传感器允许监视例如在骨折愈合期间施加在（多个）传感器上的生物机械力，使得（多个）传感器可用于该结构的实时健康监视。例如（多个）传感器可指示发展到植入物上的预定位置的裂纹或缺陷的存在。

（多个）传感器可呈嵌入于长丝缠绕的复合物结构内的无线传感器的形式，其被设计为用于测量静态和循环应变两者以实现无线地监视该结构的完整性和效果。在某些实施方式中，（多个）传感器或（多个）感测元件预先包装于薄复合物带中，薄复合物带能嵌入于或在表面安装于复合物结构上。使传感器嵌入于带状树脂内有助于允许应变计或其它测量装置以与控制测量相同的速率和量变形，从而提供例如在装置上的应变的准确测量。在其它实施方式中，呈线、板或粉末形式的至少一个感测元件嵌入于或表面安装于医疗复合物结构上以使之能充当智能植入物。在其它实施方式中，至少一个传感器条带通过利用“倒装(flip chip)”技术表面安装的集成电路和嵌入于预浸带中的无线遥测线圈电连接到柔性电路以确保信息可与终端使用者无线通信。在这些实施方式中，传感器或感测元件可适于在骨折愈合期间监视施加于其上的生物机械力，如果该数据可用于消除在植入物与周围骨骼之间的载荷分担环境的影响。此外，传感器或感测元件可向终端使用者提供长丝缠绕的复合物结构在抵抗结构开裂、分层或纤维分离方面的完整性，避免了由于植入物过载所造成的灾难性失效。此外，通过热和压力将传感器线结合到聚合物基质可限制或排除对于额外结合剂的需要。

在一个总体方面，整形外科固定装置包括内芯，由多层、纤维加强的复合物形成的杆和嵌入于多层、纤维加强的复合物内的感测元件。