多层异构仿生关节软骨材料的制备工艺的制作方法

本发明属于软骨材料制备技术领域，具体涉及一种仿生关节软骨材料制备工艺，特别是一种多层异构仿生关节软骨材料的制备工艺。

背景技术：

人体的关节表面覆盖着关节软骨，在人体生理环境中，关节软骨可以承载传递7-9倍人体的重量，并且可以提供优良的承载润滑关节面，其摩擦系数极低，约0.001-0.03。由于关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，关节软骨要承受一生中运动所致的周而复始的摩擦，因此关节软骨会不断的磨损和退化，最终导致骨关节炎的发生。目前，因关节软骨磨损导致的骨关节炎已成为世界头号致残性疾病，由于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1亿患者，每年人工关节置换约200万例。但是，目前的人工关节假体仍然存在耐磨性不够高、使用寿命不够长、植入假体翻修率过高等问题，难以满足日益增长的高可靠性、长寿命人工关节置换需求，其根本原因在于植入假体均为硬面-硬面接触，与天然关节的软骨-软骨接触形式差异太大。植入假体的磨损、固定、感染等关键技术难题尚未得到很好的解决(硬面-硬面接触人工关节的设计寿命一般为10-15年)，因此，急需依靠生物材料学、生物摩擦学、关节外科学的深度融合交叉来解决以上难题，实现天然软骨的仿生设计及天然关节的仿生制造，最终获得高可靠性、长寿命的人工关节假体。

天然关节软骨是多孔的液、固两相材料，具有分层结构，且不均匀、非线性、各向异性，软骨的不同结构区域具有不同的力学性能，而各层之间又有着非常密切的依赖关系，共同行使软骨的功能。浅表层的含水量为80％～90％，胶原纤维的排列方向与关节表面相平行，构成一层致密的孔隙状胶原纤维网，滑液可以在浅表层渗透和滞留，起到良好的润滑作用，进而抵抗关节活动时的剪切负荷。中间层的含水量为80％，胶原纤维相互交错；深层的含水量最低(65％)，胶原纤维自下而上呈放射状排列；中间层和深层具有抵抗挤压负荷的良好性能，起到保持体液和缓冲的作用。钙化层是软骨和软骨下骨的过渡层，主要功能是将关节软骨结实地固定在软骨下骨之上。

当软骨受到力学负荷时，液相受软骨内部压力的驱动，在软骨内形成渗透，但是软骨浅表层的渗透率极低，限制了液相渗出，阻碍了软骨变形的发生，在软骨内形成了静水压力，能够分担软骨90-99％的载荷，从而避免产生大变形对软骨组织造成破坏。由于软骨面上的载荷被液相分担，软骨固相接触部分承载的实际载荷降低，从而大大减少了软骨间的摩擦。由此可见，液相承载是维护软骨正常力学行为的主要因素、保障软骨长期摩擦性能的核心。更重要的是人体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，人体关节才能够正常运行70年以上。

基于天然关节软骨多层定向的孔隙结构，仿生设计高强度、低渗透及耐磨损的多层异构仿生软骨材料，是解决人工关节磨损和无菌性松动问题的最佳选择，这对于提高关节置换者的生命质量、推动我国的植入假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，本发明提供一种多层异构仿生关节软骨材料制备工艺，通过该方法获得一种与天然关节软骨结构与功能相类似的仿生关节软骨材料，解决人工关节的磨损和无菌松动的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多层异构仿生关节软骨材料制备工艺，包括如下步骤：

1)以表面活化处理的聚乙烯为基体，采用原位化学接枝及定向凝固技术在其表面交联内部孔隙垂直于基体的pva/ha复合水凝胶层；

2)利用非定向凝固法锚接内部孔隙互嵌的pva/ha/silk复合水凝胶层；

3)利用定向凝固技术及退火技术，在表面构筑内部孔隙平行于基体的pva/ha/paa复合水凝胶致密膜；

4)构建多层异构仿生关节软骨材料。

进一步的，步骤1)中，聚乙烯表面活化处理的方法为：将分子量为300万的聚乙烯块浸泡在重铬酸氧化溶液中，置于75℃水浴锅中10min，然后将其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物质，取出用去离子水清洗；所述的重铬酸氧化溶液是由重铬酸钾与浓硫酸按质量百分比1:4配置而成。

进一步的，步骤1)中，所述pva/ha复合水凝胶层的制备方法为：

1-1)按质量百分比称取聚乙烯醇25％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水72％，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/ha混合溶液；按质量百分比称取聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％和去离子水91.5％，按上述步骤制备出接枝溶液；

1-2)将氧化与清洗后的聚乙烯试样浸入装有接枝溶液的容器中，置于90℃的恒温水浴锅中，搅拌，反应2h；

1-3)将pva/ha混合溶液加入到聚乙烯试样表面，使得pva/ha混合溶液的厚度为0.6mm，将按上述方法处理后的聚乙烯试样平行置于液氮表面，溶液完全结晶后置于温度为-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，聚乙烯试样的表面形成第一层具有垂直孔隙结构的pva/ha复合水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，步骤2)的具体方法为：将制备好的pva/ha/silk溶液加入到步骤1)处理后的聚乙烯试样表面，使得pva/ha/silk溶液的厚度为0.8mm，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，聚乙烯试样的表面形成第二层具有互嵌孔隙的pva/ha/silk复合水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，所述pva/ha/silk溶液的制备方法为：按质量百分比称取聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％、蚕丝1％和去离子水81％，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/ha/silk溶液。

进一步的，步骤3)中定向凝固技术的具体方法为：将pva/ha-paa混合溶液加入到步骤2)处理后的聚乙烯试样表面，使其厚度为0.6mm，然后垂直置于液氮表面，溶液完全结晶后置于温度为-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3次，聚乙烯试样的表面形成第三层具有平行孔隙结构的pva/ha-paa复合水凝胶仿生关节软骨。

进一步的，所述pva/ha-paa混合溶液的制备方法为：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％，室温下溶胀2-3h；溶胀完成后放入95℃恒温水浴锅中加热溶解，待溶液溶解后将烧杯从水浴锅中取出，获得pva/ha-paa混合溶液，置于超声波中超声2-3h。

进一步的，步骤3)中退火技术的具体方法为：将采用定向凝固技术进行冷冻-解冻后的试样浸入盛有聚乙二醇溶液的烧杯中，脱水1-2h，在脱水过程中每隔一定时间对试样进行称重，当试样的重量不再发生变化，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，除去残余的聚乙二醇溶液；将清洗后的试样放入去离子水中进行再水合，再水合完成后，将制备好的带有三层仿生关节软骨的聚乙烯试样放入盛有去离子水的密封袋中保存。

根据上述工艺制备的多层异构仿生关节软骨材料，多层异构仿生关节软骨材料的拉伸强度达39mpa，摩擦系数不超过0.1，各层之间的结合强度大于3mpa。

有益效果：本发明提供的多层异构仿生关节软骨材料制备工艺，由于采用了上述方案，制备出来的多层异构仿生关节软骨材料与天然关节软骨结构、功能相类似，并且各层之间具有很强的结合能力，不易磨损松动、界面润滑性好、生物活性充足，具有高强度、低渗透、耐磨损的功能，真正实现了代替软骨功能，解决了人工关节的磨损和无菌松动的问题，达到了本发明的目的。

附图说明

图1为多层异构仿生关节软骨材料的构建方法示意图；

图2为多层异构仿生关节软骨材料的定向孔隙示意图；

图3为多层异构仿生关节软骨材料的拉伸强度图；

图4为多层异构仿生关节软骨材料的摩擦系数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明为一种多层异构仿生关节软骨材料制备工艺，属于仿生材料制备工艺。制备工艺：以表面活化处理的聚乙烯为基体，采用原位化学接枝及定向凝固技术在其表面交联内部孔隙垂直于基体的聚乙烯醇/羟基磷灰石(pva/ha)复合水凝胶层；然后利用非定向凝固法锚接内部孔隙互嵌的聚乙烯醇/羟基磷灰石/蚕丝(pva/ha/silk)复合水凝胶层；最后利用定向凝固技术及退火技术，在表面构筑内部孔隙平行于基体的聚乙烯醇/羟基磷灰石/聚丙烯酸(pva/ha/paa)复合水凝胶致密膜，从而构建高强度、低渗透及耐磨损的多层异构仿生关节软骨材料。制备出的仿生软骨材料与天然软骨结构、功能相类似，不易磨损松动、界面润滑性好、生物活性充足，一定程度上替代了软骨的作用。

实施例1：

如图1所示，一种多层异构仿生关节软骨材料制备工艺包括如下步骤：

1)将聚乙烯块(分子量为300万)浸泡在重铬酸氧化溶液中，置于75℃水浴锅中10min，然后将其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物质，取出用大量去离子水进行清洗；所述的重铬酸氧化溶液是由重铬酸钾与浓硫酸按质量百分比1:4配置而成；

2)按质量百分比称取聚乙烯醇25％、纳米羟基磷灰石3％和去离子水72％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/ha混合溶液；按质量百分比称取聚乙烯醇7％、浓硫酸1.5％和去离子水91.5％置于容器，按上述步骤制备出接枝溶液；

3)将氧化与清洗后的聚乙烯试样浸入装有接枝溶液的容器中，置于90℃的恒温水浴锅中，搅拌，反应2h；

4)将制备好的pva/ha混合溶液加入到聚乙烯试样表面，使得pva/ha混合溶液的厚度为0.6mm，将按上述方法处理后的聚乙烯试样平行置于液氮表面，使热量沿着径向方向传递，溶液结晶同样沿着径向，溶液完全结晶后置于温度为-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，聚乙烯试样的表面形成第一层具有垂直孔隙结构的pva/ha复合水凝胶仿生关节软骨；

5)按质量百分比称取聚乙烯醇15％、纳米羟基磷灰石3％、蚕丝1％和人去离子水81％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/ha/silk溶液；将制备好的pva/ha/silk溶液加入到步骤4)处理后的聚乙烯试样表面，使得pva/ha/silk溶液的厚度为0.8mm，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，聚乙烯试样的表面形成第二层具有互嵌孔隙的pva/ha/silk复合水凝胶仿生关节软骨；

6)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％，置于烧杯中，室温下溶胀2-3h；溶胀完成后放入95℃恒温水浴锅中加热溶解，待溶液完全溶解后将烧杯从水浴锅中取出，获得pva/ha-paa混合溶液，置于超声波中超声2-3h；然后将pva/ha-paa混合溶液加入到步骤5)处理后的聚乙烯试样表面，使其厚度为0.6mm，主要是要保证三层结构的总厚度为2.0mm，因为天然软骨大多数的厚度为2mm。，然后垂直置于液氮表面，使热量沿着垂直方向传递，溶液结晶同样沿着垂直方向，溶液完全结晶后置于温度为-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3次，聚乙烯试样的表面形成第三层具有平行孔隙结构的pva/ha-paa复合水凝胶仿生关节软骨；

7)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，在脱水过程中每隔一定时间对试样进行称重，当试样的重量不再发生变化，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，除去残余的聚乙二醇溶液；将清洗后的试样放入去离子水中进行再水合，再水合完成后，将制备好的带有三层仿生关节软骨的聚乙烯试样放入盛有去离子水的密封袋中保存。

图2(a)是多层异构仿生关节软骨材料的平行孔隙结构，图2(b)是多层异构仿生关节软骨材料的垂直孔隙结构，仿生关节软骨材料具有明显的多层异构形态。图3是多层异构仿生关节软骨材料的拉伸强度，图4是多层异构仿生关节软骨材料的摩擦系数。多层异构仿生关节软骨材料的拉伸强度可达39mpa，多层异构仿生关节软骨材料的摩擦系数随着载荷增大而增大，但是摩擦系数不超过0.1，表现出了良好的摩擦性能，多层异构仿生关节软骨材料各层之间具有良好的结合性能，结合力可达3mpa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。