专利名称：生物固定型仿生关节及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物医用复合材料技术领域，特别是用作关节损伤或置换的人工植入 材料。具体是指一种梯度纳米羟基磷灰石/聚醚醚酮仿生关节的制备方法。
背景技术：
传统的关节置换材料如钛合金、不锈钢、钴铬钼合金与自然骨之间存在模量不匹 配而产生应力遮挡作用，最终导致假体材料的无菌松动。另一方面，人工关节的固定方法由 传统的骨水泥固定渐渐转变为生物固定。生物固定型假体的远期稳定性主要依靠骨-假体 界面骨长入达到机械锁定。然而，由于假体表面骨长入的范围和程度主要依赖假体材料表 面的生物活性，目前使用的生物固定型假体长期随访发现仍有较高的无菌松动率，因而使 其应用受到一定的限制。因此，如何提高假体表面骨组织长入、增加假体与周围骨床的结合 力和结合范围、从而使其达到长期稳定，成为生物固定型人工关节假体迫切需要解决的关 键问题。
研究表明，聚醚醚酮(PEEK)具有与自然骨相似的优良生物力学性能和生物相容 性，可有效避免传统人工关节所带来的应力遮挡效应。PEEK作为生物医用材料已在整形外 科、椎间盘融合器和接骨板等医学领域得到广泛应用。虽然PEEK具有良好的生物相容性， 但缺乏生物活性，从而难以实现生物型固定。为了有效提高PEEK的表面活性，从而提高其 在体内与自然骨的生物固定性能，众多学者分别采用表面涂层、等离子辐照处理、添加生物 活性陶瓷等表面活性化技术对PEEK进行表面活性化处理。
虽然以上技术在一定程度都能实现PEEK生物材料的表面活性，但也存在一定的 缺陷等离子喷涂的温度较高，在进行等离子喷涂工艺处理的同时也将使PEEK基体材料的 力学性能恶化。此外，等离子体喷涂制备的涂层与PEEK基体间的结合强度有待进一步提 高；等离子辐照处理对环境气氛要求非常苛刻，难以掌控；PEEK作为人工关节材料使用时 其力学性能有待进一步优化，虽然表面涂层和等离子处理均能提高PEEK的表面活性，但难 以提高PEEK的力学性能；添加纳米相生物活性陶瓷实现PEEK的表面活性化与材料力学性 能的改善存在相互矛盾。众所周知，纳米粒子具有较高的表面能和活化能，当复合材料中纳 米羟基磷灰石粒子含量过高时，复合材料中的纳米粒子易于团聚，此时，复合材料的力学性 能不仅难以提高反而下降。另一方面，当复合材料中纳米生物活性陶瓷含量过低时，植入体 同自然骨界面的固定性能和复合材料的力学性能改善不显著。因此，如何实现植入材料的 生物力学性能和生物固定性能之间良好的统一，目前在国内外均未得到很好的解决。发明内容
本发明是为避免上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种生物固定型仿生关节及 其制备方法，是一种梯度生物活性纳米羟基磷灰石增强聚醚醚酮复合材料的制备方法，使 具有生物活性的纳米羟基磷灰石在复合材料沿径向呈梯度分布。通过本发明方法达到增强 人工关节材料表面生物活性，同时改善力学性能的目的，实现生物固定型人工关节假体的远期稳定性和力学匹配性，从根本上解决人工关节假体的生物力学和生物固定性能之间的 矛盾，提高关节假体的使用寿命。
本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明生物固定型仿生关节材料的特点是所述材料是具有梯度结构的纳米羟基 磷灰石和聚醚醚酮复合材料，所述梯度结构是指复合材料中各层纳米羟基磷灰石含量不 同，由里层经各中间过渡层至表层，所述纳米羟基磷灰石的含量依次上升。
本发明生物固定型仿生关节材料的特点也在于
按质量百分比所述里层纳米羟基磷灰石含量为0% 10%，表层纳米羟基磷灰石 含量为20% 40% ；所述里层、各中间过渡层和表层的复合材料的厚度分别为1 10mm。
本发明生物固定型仿生关节材料的制备方法的特点是按如下步骤进行
a、在80°C 90°C的恒温水浴中，搅拌的同时向蒸馏水中同时加入氢氧化钙和聚 醚醚酮粉体，继续搅拌0. 5 1小时，配制氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液；
b、按Ca/P的摩尔比为1. 67取分析纯磷酸，加水配制浓度为0. 3 0. 8mol/L的磷 酸溶液，将磷酸溶液滴加至步骤a所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液中；滴加过程 中保持温度为80°C 90°C进行搅拌，并通过氢氧化钠控制溶液的pH为10 11 ；在磷酸溶 液滴加完毕之后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C陈化10 15小 时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；
C、将步骤b所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液经过滤得到纳米羟 基磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，将所述混合粉体用蒸馏水清洗直至pH为7. 0 ；再在真空 干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；
d、重复步骤a、b和步骤C，制备不同比例的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合粉 体，待用；
e、按混合粉体中纳米羟基磷灰石含量由低到高的顺序，将混合粉体沿模具径向方 向依次注入模具中；将注入有混合粉体的模具在真空热压烧结炉中进行热压成型；热压温 度为350 400°C，压力15 20MPa，保压20 30分钟后随模降温至100°C时脱模冷却至 室温即成。
本发明制备方法的特点也在于
所述步骤a中，氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液的配制方法为分别将研磨过150目 筛后的氢氧化钙和聚醚醚酮粉体按1 50 1 1的质量比添加于80 95°C的蒸馏水 中，经搅拌制得氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液。
与已有技术相比，本发明具备如下有益效果
本发明在原位合成纳米羟基磷灰石的基础上采用了梯度复合的技术，使具有生物 活性的纳米羟基磷灰石含量在复合材料中沿厚度方向(径向方向)呈梯度分布。首先，复合 材料中外层纳米羟基磷灰石含量高，使得复合材料外层具有良好的生物活性和骨诱导性， 可实现其与外层自然骨在较短的时间内形成骨性结合，即与自然骨形成生物固定；其次，复 合材料的里层纳米羟基磷灰石的含量较低，使得梯度复合材料中纳米羟基磷灰石的总含量 可控制在一定范围之内，从而避免了在均勻复合材料中因纳米粒子含量过高而导致复合材 料力学性能下降的问题；最后，可由多层组成的中间层纳米羟基磷灰石含量适中，可有效消 除层间的界面应力，从而提高层状复合材料的力学性能。
具体实施方式
实施例1，本实施例按如下步骤进行
1、在90°C的恒温水浴中，搅拌的同时将95g聚醚醚酮和质量百分比浓度为95%的 氢氧化钙3. 88g溶于200ml蒸馏水中，配制氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液。
2、将质量百分比浓度为85%的磷酸3. 45g溶于IOOml蒸馏水中，配制磷酸溶液，通 过滴定管将磷酸溶液逐滴滴加至步骤1所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液中；在滴加 磷酸溶液的过程中，保持搅拌，温度控制在90°C，同时通过氢氧化钠控制溶液的反应pH为 10 11 ；待磷酸溶液滴加完后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C 陈化10 15小时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；
3、将步骤2所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液过滤，再用蒸馏水反 复清洗、过滤，直至PH为7. 0 ；最后在真空干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备出纳米羟基 磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；此时，混合粉体中纳米羟基磷灰石质量百分比含量为 5 %，聚醚醚酮质量百分含量为95 %。
4、重复步骤1至步骤3，改变聚醚醚酮、氢氧化钙、磷酸三者的用量，分别制备纳米 羟基磷灰石质量百分比含量为10%、聚醚醚酮含量为90%和纳米羟基磷灰石质量百分比 含量为20%、聚醚醚酮含量为80%的混合粉体，待用；
5、将步骤3所制备的混合粉体注入模具中，使混合粉体的径向厚度为2mm ；
6、依照步骤5的方法，将步骤4所制得的各混合粉体按混合粉体中纳米羟基磷灰 石含量由低到高的顺序，沿径向方向从内自外将混合粉体依次注入模具中，使得纳米羟基 磷灰石含量沿模具的径向方向逐次增加；各层厚度保持为2mm。
7、将步骤6所得的含有纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮混合粉体的模具在热压烧结 炉中进行热压成型。热压温度为370°C，压力20MPa，保压20min，随模降温至100°C时脱模 冷却至室温。通过此工艺即可得到径向梯度纳米羟基磷灰石/PEEK仿生关节材料。
实施例2，本实施例按如下步骤进行
1、在搅拌的同时，将90g聚醚醚酮和质量百分比浓度为95%的氢氧化钙7. 76g溶 于300ml蒸馏水中，蒸馏水的温度控制在85°C 90°C，配制氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液。
2、将质量百分比浓度为85%的磷酸6. 89g溶于150ml蒸馏水中配制磷酸溶液，通 过滴定管将磷酸溶液逐滴滴加至第1步所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液中。在滴 加磷酸溶液的过程中，保持氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液充分搅拌，温度控制在85°C，同时 通过氢氧化钠控制溶液的反应PH为10 11 ；待磷酸溶液滴加完后，继续在80°C 90°C下 搅拌6 7小时；然后以65 75°C陈化10 15小时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮 的混合溶液；
3、将步骤2所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液过滤，再用蒸馏水反 复清洗、过滤，直至PH为7. 0 ；最后在真空干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备出纳米羟基 磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；此时，混合粉体中纳米羟基磷灰石质量百分比含量为 10%，聚醚醚酮质量百分含量为90%。
4、重复步骤1至步骤3，改变聚醚醚酮、氢氧化钙、磷酸三者的用量，分别制备纳米 羟基磷灰石质量百分比含量为20%、聚醚醚酮含量为80%和纳米羟基磷灰石质量百分比含量为30%、聚醚醚酮含量为70%的两种混合粉体，待用；
5、将步骤3所制备的混合粉体注入模具中，使混合粉体的径向厚度为4mm ；
6、依照步骤5的方法，将步骤4所制得的各混合粉体按混合粉体中纳米羟基磷灰 石含量由低到高的顺序，沿径向方向从内自外将混合粉体依次注入模具中，使得纳米羟基 磷灰石含量沿模具的径向方向逐次增加；各层厚度保持为4mm。
7、将步骤6所得的含有纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮混合粉体的模具在热压烧结 炉中进行热压成型。热压温度为360°C，压力15MPa，保压25min，随模降温至100°C时脱模 冷却至室温。通过此工艺即可得到径向梯度纳米羟基磷灰石/PEEK仿生关节材料。
实施例3，本实施例按如下步骤进行
1、在90°C的恒温水浴中，在搅拌的同时，将90g聚醚醚酮和质量百分比浓度为 95%的氢氧化钙7. 76g溶于200ml蒸馏水中，配制氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液。
2、将质量百分比浓度为85%的磷酸6. 89g溶于150ml蒸馏水中，配制磷酸溶液，通 过滴定管将磷酸溶液逐滴滴加至步骤1所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液中；在滴加 磷酸溶液的过程中，保持搅拌，温度控制在90°C，同时通过氢氧化钠控制溶液的反应pH为 10 11 ；待磷酸溶液滴加完后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C 陈化10 15小时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；
3、将步骤2所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液过滤，再用蒸馏水清 洗、过滤，直至PH为7.0;最后在真空干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备出纳米羟基磷 灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；此时，混合粉体中纳米羟基磷灰石质量百分比含量为 10 %，聚醚醚酮质量百分含量为90 %。
4、重复步骤1至步骤3，改变聚醚醚酮、氢氧化钙、磷酸三者的用量，分别制备纳米 羟基磷灰石质量百分比含量为20%、聚醚醚酮含量为80% ；纳米羟基磷灰石质量百分比含 量为30%、聚醚醚酮含量为70%的混合粉体和纳米羟基磷灰石含量为40%、聚醚醚酮含量 为60%的三种混合粉体，待用；
5、将步骤3所制备的混合粉体注入模具中，使混合粉体的径向厚度为3mm ；
6、依照步骤5的方法，将步骤4所制得的各混合粉体按混合粉体中纳米羟基磷灰 石含量由低到高的顺序，沿径向方向从内自外将混合粉体依次注入模具中，使得纳米羟基 磷灰石含量沿模具的径向方向逐次增加；各层厚度保持为3mm。
7、将步骤6所得的含有纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮混合粉体的模具在热压烧结 炉中进行热压成型。热压温度为380°C，压力20MPa，保压30min，随模降温至100°C时脱模 冷却至室温。通过此工艺即可得到径向梯度纳米羟基磷灰石/PEEK仿生关节材料。
实施例4，本实施例按如下步骤进行
1、在90°C的恒温水浴中，在搅拌的同时，将95g聚醚醚酮和质量百分比浓度为 95%的氢氧化钙3. 88g溶于300ml蒸馏水中，配制氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液。
2、将质量百分比浓度为85%的磷酸3. 45g溶于IOOml蒸馏水中，配制磷酸溶液，通 过滴定管将磷酸溶液逐滴滴加至步骤1所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液中；在滴加 磷酸溶液的过程中，保持搅拌，温度控制在90°C，同时通过氢氧化钠控制溶液的反应pH为 10 11 ；待磷酸溶液滴加完后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C 陈化10 15小时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；
3、将步骤2所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液过滤，再用蒸馏水反 复清洗、过滤，直至PH为7. 0 ；最后在真空干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备出纳米羟基 磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；此时，混合粉体中纳米羟基磷灰石质量百分比含量为 5 %，聚醚醚酮质量百分含量为95 %。
4、重复步骤1至步骤3，改变聚醚醚酮、氢氧化钙、磷酸三者的用量，分别制备纳米 羟基磷灰石含量为10%、聚醚醚酮含量为90% ；纳米羟基磷灰石质量百分比含量为20%、 聚醚醚酮含量为80%的混合粉体和纳米羟基磷灰石质量百分比含量为35%、聚醚醚酮含 量为65%的三种混合粉体，待用；
5、将步骤3所制备的混合粉体注入模具中，使混合粉体的径向厚度为6mm ；
6、依照步骤5的方法，将步骤4所制得的各混合粉体按混合粉体中纳米羟基磷灰 石含量由低到高的顺序，沿径向方向从内自外将混合粉体依次注入模具中，使得纳米羟基 磷灰石含量沿模具的径向方向逐次增加；各层厚度保持为5mm。
7、将步骤6所得的含有纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮混合粉体的模具在热压烧结 炉中进行热压成型。热压温度为380°C，压力20MPa，保压30min，随模降温至100°C时脱模 冷却至室温。通过此工艺即可得到径向梯度纳米羟基磷灰石PEEK仿生关节材料。
实施例5，本实施例按如下步骤进行
1、在90°C的恒温水浴中，在搅拌的同时，将95g聚醚醚酮和质量百分比浓度为 95%的氢氧化钙3. 88g溶于200ml蒸馏水中，配制氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液。
2、将质量百分比浓度为85%的磷酸3. 45g溶于IOOml蒸馏水中，配制磷酸溶液，通 过滴定管将磷酸溶液逐滴滴加至步骤4所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮混合溶液中；在滴加 磷酸溶液的过程中，保持搅拌，温度控制在90°C，同时通过氢氧化钠控制溶液的反应pH为 10 11 ；待磷酸溶液滴加完后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C 陈化10 15小时，制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；
3、将步骤2所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液用蒸馏水清洗、过 滤，直至PH为7左右；最后在真空干燥箱中于70°C下干燥至恒重，制备出纳米羟基磷灰石 与聚醚醚酮的混合粉体，待用；此时，混合粉体中纳米羟基磷灰石质量百分比含量为5%， 聚醚醚酮质量百分含量为95%。
4、重复步骤1至步骤3，改变聚醚醚酮、氢氧化钙、磷酸三者的用量，分别制备纳米 羟基磷灰石含量为10%、聚醚醚酮含量为90%、纳米羟基磷灰石质量百分比含量为20%、 聚醚醚酮含量为80%的混合粉体和纳米羟基磷灰石质量百分比含量为30%、聚醚醚酮含 量为70%的三种混合粉体，待用；
5、将直接购买的纯聚醚醚酮粉体注入模具中，使聚醚醚酮粉体的径向厚度为 3mm ；
6、依照步骤5的方法，将步骤3和步骤4所制得的各混合粉体按混合粉体中纳米 羟基磷灰石含量由低到高的顺序，沿径向方向从内自外将混合粉体依次注入模具中，使得 纳米羟基磷灰石含量沿模具的径向方向逐次增加；各层厚度保持为3mm。
7、将步骤6所得的含有纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮混合粉体的模具在热压烧结 炉中进行热压成型。热压温度为380°C，压力20MPa，保压30min，随模降温至100°C时脱模 冷却至室温。通过此工艺即可得到径向梯度nano-HA/PEEK仿生关节材料。
权利要求
1.生物固定型仿生关节材料，其特征是所述材料是具有梯度结构的纳米羟基磷灰石和 聚醚醚酮复合材料，所述梯度结构是指复合材料中各层纳米羟基磷灰石含量不同，由里层 经各中间过渡层至表层，所述纳米羟基磷灰石的含量依次上升。
2.根据权利要求1所述的生物固定型仿生关节材料，其特征是按质量百分比所述里层 纳米羟基磷灰石含量为0 % 10 %，表层纳米羟基磷灰石含量为20 % 40 % ；所述里层、各 中间过渡层和表层的复合材料的厚度分别为1 10mm。
3.权利要求1所述生物固定型仿生关节材料的制备方法，其特征是按如下步骤进行a、在80°C 90°C的恒温水浴中，搅拌的同时向蒸馏水中同时加入氢氧化钙和聚醚醚 酮粉体，继续搅拌0. 5 1小时，配制氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液；b、按Ca/P的摩尔比为1.67取分析纯磷酸，加水配制浓度为0. 3 0. 8mol/L的磷酸溶 液，将磷酸溶液滴加至步骤a所配制的氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶液中；滴加过程中保 持温度为80°C 90°C进行搅拌，并通过氢氧化钠控制溶液的pH为10 11 ；在磷酸溶液滴 加完毕之后，继续在80°C 90°C下搅拌6 7小时；然后以65 75°C陈化10 15小时， 制备出纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液；C、将步骤b所制备的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合溶液经过滤得到纳米羟基磷 灰石与聚醚醚酮的混合粉体，将所述混合粉体用蒸馏水清洗直至pH为7. 0 ；再在真空干燥 箱中于70°C下干燥至恒重，制备纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；d、重复步骤a、b和步骤c，制备不同比例的纳米羟基磷灰石与聚醚醚酮的混合粉体，待用；e、按混合粉体中纳米羟基磷灰石含量由低到高的顺序，将混合粉体沿模具径向方向依 次注入模具中；将注入有混合粉体的模具在真空热压烧结炉中进行热压成型；热压温度为 350 400°C，压力15 20MPa，保压20 30分钟后随模降温至100°C时脱模冷却至室温 即成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征是所述步骤a中，氢氧化钙和聚醚醚酮混 合溶液的配制方法为分别将研磨过150目筛后的氢氧化钙和聚醚醚酮粉体按1 50 1 1的质量比添加于80 95°C的蒸馏水中，经搅拌制得氢氧化钙和聚醚醚酮的混合溶 液。
全文摘要
本发明公开了一种生物固定型仿生关节材料，其特征是所述材料是具有梯度结构的纳米羟基磷灰石和聚醚醚酮复合材料，所述梯度结构是指复合材料中各层纳米羟基磷灰石含量不同，由里层经各中间过渡层至表层，所述纳米羟基磷灰石的含量依次上升。本发明使具有生物活性的纳米羟基磷灰石在复合材料中沿径向方向呈梯度分布。通过本发明方法实现人工关节材料生物力学性能优化的同时，还可有效提高植入体与自然骨的连接强度，实现生物型固定，从根本上解决人工关节材料生物力学性能及植入体和自然体之间的固定和结合强度二者之间的矛盾。
文档编号C08K3/22GK102028971SQ20101061119
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者李淼林, 杨程, 潘育松, 荣华元, 龚超 申请人:安徽理工大学