软‑软接触式仿生关节制备工艺的制作方法

本发明属于仿生关节技术领域，具体涉及一种仿生关节制备工艺，特别是一种软-软接触式的仿生关节制备工艺。

背景技术：

人体天然关节的表面覆盖着关节软骨，在人体正常生理环境中关节软骨可以提供一个优良的润滑承载关节面，可以承载传递7-9倍人体的重量，且摩擦系数极低，能够正常运动70年以上。由于天然软骨的自身修复能力极其有限，一旦造成损伤或病变，很少能够自愈，一般采用人工关节置换以重建关节功能。人工关节置换术自上世纪60年代广泛应用于临床以来，已成为治疗人类关节毁损最成功、最有效的外科和康复手段。全球约有4亿人患有严重的骨关节疾病，其中我国就超过1.2亿患者，每年需要人工关节置换约200万例。

虽然人工关节置换已成为临床治疗关节疾病或创伤的有效途径，但是由于人工植入材料不具备自然界生命力的代谢作用，假体界面行为与生命介质的相容性差，特别在全关节置换中关节植入假体均为硬面-硬面接触，接触面的磨损必然存在。随着全球人口老龄化和关节置换病人的年轻化趋势，目前人工关节还远达不到20年乃至30年不翻修的期望目标。统计表明关节手术失败的前四大主要因素是：磨损、松动、失稳、感染。其中，磨损和松动是引起关节晚期失效的主要原因，而感染是造成关节早期失效的主要原因。如何解决以上科学技术难题，是当今国际人工关节置换领域的研究热点和趋势。

由此可见，提高人工关节服务寿命和使用可靠性的关键是植入假体材料生物摩擦学性能的改进。天然关节的摩擦配副为软骨-软骨形式，具有低弹性模量、高可变形性、优良的润滑和抗磨性能，可以有效的减缓冲击、吸收震荡、减小关节运动时承受的冲击及磨损。因此，基于天然关节接触形式及润滑机制，设计具有高强度、低摩擦、超润滑及耐磨损的仿生软骨材料，仿生制造新型软-软接触界面的仿生关节，是解决人工关节磨损和无菌性松动问题的最佳选择，也是解决人体环境植入材料关键摩擦副部件长效运行最为可行的技术途径。这也将有助于延长人工关节假体的使用寿命，降低摩擦学失效给假体置换者带来的痛苦或危险，这对于提高假体置换者的生命质量、推动我国的植入体制造产业的发展具有重要意义。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种软-软接触式仿生关节制备工艺，通过该方法获得一种与天然关节结构与功能相类似的人工关节，解决硬面-硬面接触人工关节的磨损和无菌松动问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种软-软接触式仿生关节制备工艺，包括以下步骤：

1)将医用聚乙烯加工成为医用聚乙烯关节部件的试样；

2)所述试样表面交联pamps-pdmaam复合水凝胶仿生软骨材料；

3)步骤2)后的试样再次交联pva/ha-paa复合水凝胶仿生软骨材料；

4)步骤3)后的试样再次交联pva水凝胶仿生软骨材料。

进一步的，所述医用聚乙烯关节部件包括：人工膝关节股骨髁、人工膝关节胫骨衬垫，或者是人工髋关节股骨头、人工髋关节髋臼。

进一步的，所述步骤2)中，采用mbaa作为交联剂、氧代戊二酸作为引发剂制备pamps水凝胶，交联的具体方法为：

2-1)所述医用聚乙烯关节部件进行清洗预处理；

2-2)引发剂和交联剂充氮气30min，然后注入医用聚乙烯关节部件表面上，厚度为0.5mm，用玻璃器皿隔离，在uv灯下照射6h，在医用聚乙烯关节部件表面形成pamps水凝胶；

2-3)将表面带有pamps水凝胶的医用聚乙烯关节部件浸泡在3mol/l的dmaam溶液中，其中包含0.1mol％mbaa和0.1mol％过硫酸钾，放置1天达到平衡，随后用玻璃器皿隔离，将其置于uv灯下聚合6小时；

2-4)纯水浸泡1周，医用聚乙烯关节部件表面形成第一层水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，所述步骤2)中，采用4％单体浓度的mbaa作为交联剂、0.1％单体浓度的氧代戊二酸作为引发剂制备pamps水凝胶。

进一步的，所述步骤2-1)中清洗预处理的方法为：依次用丙酮、乙醇和去离子水清洗所述医用聚乙烯关节部件，之后浸泡在以重铬酸钾与浓硫酸按质量百分比1:4制成的重铬酸氧化溶液中，并置于75℃水浴锅中10min，取出用去离子水清洗；然后将医用聚乙烯关节部件表面用氧离子束在200真空度、30w条件下处理5min；并在医用聚乙烯关节部件表面覆盖硅烷溶液，在室温下浸泡2h，所述硅烷溶液采用100ml去离子水与10mlph3.5的乙醇和2wt％γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷制成；然后用乙醇将医用聚乙烯关节部件清洗，干燥后储存在低湿度环境下。

进一步的，所述步骤3)的具体方法为：

3-1)按质量百分比称取聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去离子水80％，室温下让其溶胀24h，溶胀完成后放入95℃电子恒温水浴锅中加热溶解，制成pva/ha-paa混合溶液；

3-2)将pva/ha-paa混合溶液加入到步骤2)处理后的医用聚乙烯关节部件表面，使其厚度为0.5mm，置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12h，然后在室温下解冻2-3h，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻3次；

3-3)将冷冻-解冻后的试样浸入盛有聚乙二醇溶液的烧杯中脱水1-2h，取出试样放入电阻炉中进行退火处理，退火温度为120℃，退火时间为1h，退火完成后取出试样，并用去离子水对试样进行清洗，医用聚乙烯关节部件的表面形成第二层水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，步骤4)的具体方法为：

4-1)按质量百分比称取聚乙烯醇15％和去离子水85％置于容器中，在室温下溶胀24h，接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出pva溶液；

4-2)将制备好的pva溶液加入到步骤3)处理后的医用聚乙烯关节部件表面，使得pva溶液的厚度为1mm，然后置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12h，然后在室温下解冻2-3h，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻9次后，医用聚乙烯关节部件的表面形成第三层水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，将按以上方法处理过后的医用聚乙烯关节部件放入透明玻璃箱中密封，并将其置于阴暗处自然干燥一周，然后将其取出浸泡在去离子水中24h，即可制得软-软接触式仿生膝关节与仿生髋关节。

根据上述的工艺制备的软-软接触式仿生关节，软-软接触式仿生关节之间的摩擦系数为0.06，软-软接触式仿生关节的液体承载能力达到90％以上。

有益效果：本发明提供的一种软-软接触式仿生关节制备工艺，由于采用上述技术方案，制备出来的多层仿生软骨层与人工关节基底之间具有很强的结合能力，解决了仿生软骨材料与硬面基底之间的结合性能差的问题。

优点：制备获得的仿生关节为软骨-软骨接触形式，具有低弹性模量、高可变形性、优良的润滑和抗磨性能，可以有效的减缓冲击、吸收震荡、减小关节运动时承受的冲击及磨损，解决人工关节磨损和无菌性松动的问题。

附图说明

图1为本发明的人工膝关节示意图。

图2为本发明的人工髋关节示意图。

图3为本发明产品的摩擦系数示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例

一种软-软接触式仿生关节制备工艺的具体步骤如下：

1)根据人工膝关节、人工髋关节的尺寸将医用聚乙烯棒材加工成人工膝关节股骨髁、人工膝关节胫骨衬垫，人工髋关节股骨头、人工髋关节髋臼。

2)用丙酮、乙醇和去离子水按顺序彻底清洗医用聚乙烯各关节部件(人工膝关节股骨髁、人工膝关节胫骨衬垫，人工髋关节股骨头、人工髋关节髋臼)；将清洁后的医用聚乙烯关节部件浸泡在重铬酸氧化溶液(重铬酸钾与浓硫酸按质量百分比1:4)中，并置于75℃水浴锅中10min，取出用大量去离子水进行清洗；然后将医用聚乙烯关节部件表面用氧离子束处理5分钟(200真空度，30w)；立即在医用聚乙烯关节部件表面覆盖硅烷溶液(100ml的去离子水，10mlph3.5的乙醇和2wt％γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷)，在室温下浸泡2h；然后用乙醇将医用聚乙烯关节部件清洗，完全干燥后储存在低湿度环境下；

3)用mbaa作为交联剂、氧代戊二酸作为引发剂制备pamps水凝胶，交联剂为4％的单体浓度和0.1％单体浓度的引发剂。引发剂和交联剂充氮气30min，然后注入医用聚乙烯关节部件表面上，厚度约为0.5mm，用玻璃器皿隔离，在uv灯下照射6小时，在医用聚乙烯关节部件表面形成pamps水凝胶。将表面带有pamps水凝胶的医用聚乙烯关节部件浸泡在3mol/l的dmaam溶液中，其中包含0.1mol％mbaa和0.1mol％过硫酸钾，放置1天达到平衡，随后用玻璃器皿隔离，将其置于uv灯下聚合6小时。随后在纯水中浸泡1周，每天换两次水来去除未反应的材料，医用聚乙烯关节部件表面形成第一层水凝胶仿生关节软骨，如图1、2所示；

4)按质量百分比称取的聚乙烯醇14％、纳米羟基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去离子水80％，室温下让其溶胀24h；溶胀完成后放入95℃电子恒温水浴锅中加热溶解，然后将pva/ha-paa混合溶液加入到步骤4处理后的医用聚乙烯关节部件表面，使其厚度为0.5mm，置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻3次；将冷冻-解冻后的试样浸入盛有聚乙二醇溶液的烧杯中脱水1-2h，取出试样放入电阻炉中进行退火处理，退火温度为120℃，退火时间为1h，退火完成后取出试样，并用去离子水对试样进行清洗，医用聚乙烯关节部件的表面形成第二层水凝胶仿生关节软骨；

5)按质量百分比称取聚乙烯醇15％和去离子水85％置于容器中，在室温下溶胀24h，接着将容器至于95℃的恒温水浴锅中，制备出pva溶液；将制备好的pva溶液加入到步骤4处理后的医用聚乙烯关节部件表面，使得pva溶液的厚度为1mm，然后置于温度为-20℃的低温存储箱中冷冻10-12小时，然后在室温下解冻2-3小时，之后再放入低温存储箱中进行冷冻，如此冷冻、解冻9次后，医用聚乙烯关节部件的表面形成第三层水凝胶仿生关节软骨；

6)将按以上方法处理过后的医用聚乙烯关节部件(人工膝关节股骨髁、人工膝关节胫骨衬垫，人工髋关节股骨头、人工髋关节髋臼)放入透明玻璃箱中密封，并将其置于阴暗处自然干燥一周，然后将其取出浸泡在去离子水中24h，即可制得软-软接触式仿生膝关节与仿生髋关节。

如图3所示，根据本发明工艺方法制备得到的软-软接触式仿生关节产品，软-软接触式仿生关节之间的摩擦系数仅有0.06左右，达到了软骨-软骨之间的摩擦系数；软-软接触式仿生关节具有良好的承载性能，液体承载能力可以达到90％以上。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。