專利名稱：一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植入器件，特別是一種帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件及制備方法。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于其優(yōu)異的綜合性能，是目前廣泛采用的人工關(guān)節(jié)材料。臨床研究表明，超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)植入人體后發(fā)生磨損，產(chǎn)生的磨屑誘發(fā)機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生一系列不良生物反應(yīng)，引起假體周圍產(chǎn)生骨質(zhì)溶解和無菌松動，嚴(yán)重影響了人工關(guān)節(jié)的質(zhì)量和使用壽命。研究發(fā)現(xiàn)，天然軟骨是一種具有剛性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的生物材料，能夠存儲潤滑液提供良好的潤滑。受到載荷壓縮時(shí)，潤滑液從空隙中流出潤滑關(guān)節(jié)接觸面，當(dāng)載荷移除時(shí)，潤滑液再次流回組織存儲潤滑液，極大的降低天然軟骨的磨損量。在關(guān)節(jié)滑膜腔與淺表層界面處，有游離的蛋白聚糖、蛋白聚糖和透明質(zhì)酸等聚集形成的刷狀物，具有較強(qiáng)的水化能力，有效的改善潤滑、提高耐磨性，使天然關(guān)節(jié)軟骨具有超潤滑功能。已有學(xué)者模擬天然軟骨的多孔結(jié)構(gòu)制備人工關(guān)節(jié)，研究發(fā)現(xiàn):多孔結(jié)構(gòu)可以有效提高聚乙烯人工關(guān)節(jié)表面的潤滑性能，降低了潤滑條件下的磨損量[吳剛，張文光，王成燾.仿生UHMWPE軟骨材料的制備和性能研究.功能材料，2007,38(10):1694-1697.吳剛，張文光，王成燾.仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨損性能研究.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(6):539-543.]。但是該研究制備的人工關(guān)節(jié)僅具備多孔結(jié)構(gòu)，不具備類似關(guān)節(jié)滑膜腔與淺表層界面處的刷狀物。專利CN201010555982.2提到改善生物相容性與摩擦學(xué)性能的人工關(guān)節(jié)的制備方法，在人工關(guān)節(jié)聚乙烯表面接枝生物相容性好的聚合物，該方法制備的人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)性能得到顯著改善。但是該方法制備的人工關(guān)節(jié)假體僅具備類似天然軟骨的刷狀物，不具有類似天然軟骨的多孔結(jié)構(gòu)。鑒于以上，有必要模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能，在人工關(guān)節(jié)承載部件表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)和聚合物刷，對于改善人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)性能及生物相容性、減少組織反應(yīng)、延長使用壽命等，具有重要的指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件及制備方法。該人工關(guān)節(jié)部件帶有仿生潤滑表層，具有該結(jié)構(gòu)的人工關(guān)節(jié)能有效改善潤滑、減少摩擦、磨損和磨屑的產(chǎn)生，延長使用壽命。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的 技術(shù)解決方案為:一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，所述人工關(guān)節(jié)承載部件由仿生潤滑表層和基底構(gòu)成，所述基底為超高分子量聚乙烯，所述仿生潤滑表層由具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯接枝聚合物單體形成。所述的人工關(guān)節(jié)為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)。所述的超高分子量聚乙烯為醫(yī)用級；所述的多孔直徑為10_500Mm。
所述的接枝方法，包括輻照(紫外光、Y射線、電子束)、臭氧活化或化學(xué)處理等方法。所述的聚合物單體，具有良好的生物相容性，可以是丙烯酸、丙烯酰胺(AM)、N-乙烯基吡咯烷酮、N, N- 二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N，N- 二甲基-N-丙烷磺酸內(nèi)鹽(MPDSAH)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)以及具有磷酰膽堿基的單體等。一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件的制備方法，采用模板-濾取法制備，包括以下步驟:
(1)將致孔劑粉末與超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到復(fù)合粉末；
(2)將步驟(I)中的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯分層放入模具中，真空熱壓成形制備塊體材料，然后將該塊體材料用去離子水浸泡提純，除去致孔劑；
(3)在步驟(2)中制備的表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件。步驟(I)中所述的致孔劑為NaCUK2CO3、聚乙二醇、聚氧化乙烯。步驟(2)中所述的純超高分子量聚乙烯為粉末或塊體，所述的真空熱壓具體參數(shù)為:真空度為-0.1MPa，壓力為2 20MPa，熱壓溫度15(T250°C，保溫時(shí)間0.5 3.5小時(shí)。一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件的方法，采用激光蝕刻法制備，包括以下步驟:
(1)用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)； (2)在表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件。本發(fā)明的原理是:模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的多孔結(jié)構(gòu)、聚合物刷狀結(jié)構(gòu)和潤滑狀態(tài)，制備表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，并在多孔表面接枝具有良好親水性和生物相容性的聚合物單體，單體與超高分子量聚乙烯發(fā)生共聚反應(yīng)，同時(shí)單體之間發(fā)生自聚反應(yīng)，因而最終在超高分子量聚乙烯聚乙烯表面形成聚合物大分子鏈。該聚合物分子鏈在潤滑液中吸附水分子舒展開來形成類似刷狀的結(jié)構(gòu)。潤滑液在多孔中流動形成的流體動壓潤滑，與聚合物分子鏈形成的水合層導(dǎo)致的邊界潤滑，二者協(xié)同作用，提高人工關(guān)節(jié)的耐磨性，改善生物相容性，延長使用壽命。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明制備的一種帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，其表層模擬了天然關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能，具備類似天然軟骨的多孔結(jié)構(gòu)和聚合物刷狀結(jié)構(gòu)，改變了以往只進(jìn)行多孔結(jié)構(gòu)制備或聚合物刷狀制備的缺陷。多孔結(jié)構(gòu)改善流體動力潤滑，接枝的親水性聚合物鏈吸附潤滑液形成水合層，二者協(xié)同作用降低人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損，改善潤滑狀態(tài)。另外，聚合物大分子單體通過化學(xué)鍵接枝鍵合到超高分子量聚乙烯多孔表面，結(jié)合牢固，很好的保持了聚合物大分子的特性。由于接枝的聚合物單體具有良好的生物相容性，可以有效減輕磨屑的組織反應(yīng)、骨溶解和無菌松動，提高人工關(guān)節(jié)的可靠性和使用壽命，減少人工關(guān)節(jié)的翻修和更換頻率。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明。一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，采用模板-濾取法制備，包括以下步驟:
(1)將致孔劑粉末與超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到復(fù)合粉末；
(2)將復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯(純超高分子量聚乙烯為粉末或塊體)分層放入模具中，真空熱壓成形制備塊體材料，然后將該塊體材料用去離子水浸泡提純，除去致孔劑；真空熱壓具體參數(shù)為:真空度為-0.1MPa，壓力為2 20MPa，熱壓溫度15(T250°C，保溫時(shí)間0.5^3.5小時(shí)。(3)在步驟2中制備的具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體。將樣品置于光敏劑二苯甲酮溶液(5-20mg/ml)中，避光靜置f lOmin，使其表面涂覆光敏齊U，避光干燥；將涂覆光敏劑的樣品放入一定濃度的單體溶液，紫外光輻照l(T90min，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件。一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，采用激光蝕刻法制備，包括以下步驟:
(1)用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)；
(2)在表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體，將樣品材料置于光敏劑二苯甲酮溶液(5-20mg/ml)中，避光靜置f lOmin，使其表面涂覆光敏劑，避光干燥；將涂覆光敏劑的樣品放入一定濃度的單體溶液，紫外光輻照l(T90min，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件。實(shí)施例1
將球磨共混的NaCl粉末與超分子量聚乙烯粉末的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯粉末分層裝入磨具中，對裝入模具的材料進(jìn)行真空熱壓，具體參數(shù)為:真空度-0.1MPa，壓力2MPa，熱壓溫度150°C，保溫時(shí)間0.5小時(shí)。將制備出的塊體材料置于去離子水中浸泡除去致孔劑，得到多孔的孔徑在10(Tl50Mffl。將表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯塊體材料將試樣浸入到5mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置5min，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.25mol/L的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)溶液中，通氮?dú)獬パ鯕?，置于紫外光下輻照lOmin。測試樣品的接觸角為45°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為0.032。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的54%。實(shí)施例2
將球磨共混的聚乙二醇粉末與超分子量聚乙烯粉末的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯塊體分層裝入磨具中，對裝入模具的材料進(jìn)行真空熱壓，具體參數(shù)為:真空度-0.1MPa,壓力lOMPa，熱壓溫度200°C，保溫時(shí)間2.5小時(shí)。將制備出的塊體材料置于去離子水中浸泡除去致孔劑，得到多孔的孔徑在15(Tl80Mffl ；將樣品浸入到10mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置lmin，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.15mol/L的丙烯酸(AA)溶液中，通氮?dú)獬パ鯕猓糜谧贤夤庀螺椪?0min。測試樣品的接觸角為30°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為
0.015。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的51%。實(shí)施例3
用模板-濾取法制備多孔超高分子量聚乙烯仿生軟骨樣品，
將球磨共混的聚 氧化乙烯粉末與超分子量聚乙烯粉末的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯塊體分層裝入磨具中，對裝入模具的材料進(jìn)行真空熱壓，具體參數(shù)為:真空度-0.1MPa，壓力20MPa，熱壓溫度250°C，保溫時(shí)間3.5小時(shí)。將制備出的塊體材料置于去離子水中浸泡除去致孔劑，得到的多孔的孔徑在18(T250Mffl ;將樣品浸入到15mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置lOmin，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.45mol/L的N，N- 二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N，N- 二甲基-N-丙烷磺酸內(nèi)鹽(MPDSAH)溶液中，通氮?dú)獬パ鯕?，置于紫外光下輻?0min。測試樣品的接觸角為38°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為0.028。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的46%。實(shí)施例4
將球磨共混的K2CO3粉末與超分子量聚乙烯粉末的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯粉末分層裝入磨具中，對裝入模具的材料進(jìn)行真空熱壓，具體參數(shù)為:真空度-0.1MPa，壓力15MPa，熱壓溫度190°C，保溫時(shí)間1.5小時(shí)。將制備出的塊體材料置于去離子水中浸泡除去致孔劑，得到的多孔的孔徑在4(Tl00Mffl ;將樣品浸入到20mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置3min，干燥除去丙酮；將涂·覆光敏劑的樣品放入0.35mol/L的丙烯酰胺(AM)溶液中，通氮?dú)獬パ鯕猓糜谧贤夤庀螺椪?0min。測試樣品的接觸角為50°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為0.021。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的39%。實(shí)施例5
用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為lOMffl。將樣品浸入到10mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置5min，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.5mol/L的N-乙烯基吡咯烷酮溶液中，通氮?dú)獬パ鯕猓糜谧贤夤庀螺椪?0min。測試樣品的接觸角為46°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為0.04。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的40%。實(shí)施例6
用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為300Mm。將樣品浸入到5mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置lOmin，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.15mo 1/L的MPC溶液中，通氮?dú)獬パ鯕?，置于紫外光下輻?0min。測試樣品的接觸角為36°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑齊U，測得其摩擦系數(shù)為0.02。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE的 55%。實(shí)施例7
用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為500Mm。將樣品浸入到15mg/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，避光靜置lmin，干燥除去丙酮；將涂覆光敏劑的樣品放入0.05mol/L的MPC溶液中，通氮?dú)獬パ鯕?，置于紫外光下輻?0min。測試樣品的接觸角為41°，用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑，測得其摩擦系數(shù)為0.018。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量為普通UHMWPE 的 54%。對比例I按照實(shí)施例2和實(shí)施例6，分別制備帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件材料，測試其接觸角分別為30°和36°，明顯低于未改性樣品表面的接觸角87°。表明帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)的表面潤濕性得到顯著改善。對比例2 按照實(shí)施例2和實(shí)施例6，分別制備帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件材料。用銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試其與不銹鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)，以生理鹽水為潤滑劑。測得樣品的摩擦系數(shù)為0.015和0.02，明顯低于未改性樣品的摩擦系數(shù)0.07。在人工膝關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)上測試的樣品磨損量分別為普通UHMWPE的51%和55%。表明帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)性能得到顯著改善。
權(quán)利要求
1.一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，其特征在于，所述人工關(guān)節(jié)承載部件由仿生潤滑表層和基底構(gòu)成，所述基底為超高分子量聚乙烯，所述仿生潤滑表層由具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯接枝聚合物單體形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，其特征在于所述的具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯的孔徑為10-500Mffl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，其特征在于所述的聚合物單體具有良好的生物相容性，選用丙烯酸、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N，N-二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N，N- 二甲基-N-丙烷磺酸內(nèi)鹽或2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿。
4.一種制備權(quán)利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件的制備方法，其特征在于采用模板-濾取法制備，包括以下步驟: (1)將致孔劑粉末與超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到復(fù)合粉末； (2)將步驟(I)中的復(fù)合粉末與純超高分子量聚乙烯分層放入模具中，真空熱壓成形制備塊體材料，然后將該塊體材料用去離子水浸泡提純，除去致孔劑； (3)在步驟(2)中制備的表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件； 或者，采用激光蝕刻法制備，包括以下步驟: (1)用激光器在成型的塊體超高分子量聚乙烯表面制備多孔結(jié)構(gòu)； (2)在表層具有多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物單體，得到帶有仿生潤滑表層的超高分子量 聚 乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件的制備方法，其特征在于，采用模板-濾取法制備中步驟⑴中所述的致孔劑為NaCl、K2CO3、聚乙二醇、聚氧化乙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件的制備方法，其特征在于，采用模板-濾取法制備中步驟(2)中所述的純超高分子量聚乙烯為粉末或塊體，所述的真空熱壓具體參數(shù)為:真空度為-0.1MPa，壓力為2 20MPa，熱壓溫度15(T250°C，保溫時(shí)間0.5^3.5 小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件及制備方法。模擬了天然關(guān)節(jié)軟骨的結(jié)構(gòu)和功能，制備表層具備多孔結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)承載部件，并在其多孔表面接枝具有良好生物相容性的聚合物單體，形成仿生潤滑表層。采用本發(fā)明及方法制備的人工關(guān)節(jié)承載部件，顯著改善了其生物摩擦學(xué)性能，減輕了組織反應(yīng)和無菌松動，可以延長使用壽命。
文檔編號A61F2/32GK103212110SQ20131014670
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者熊黨生, 鄧亞玲, 王琨 申請人:南京理工大學(xué)