一种具有内生长功能的仿生人工髋关节的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于修复关节骨软骨受损的人工关节技术领域，具体涉及一种具有内生长功能的仿生人工髋关节。
【背景技术】
[0002]由于骨性关节炎、无菌性股骨头坏死、骨肿瘤等原因造成髋关节病变，而且随着世界人口老龄化的不断加剧，骨质疏松造成骨折日益凸显，每年数以百万计的患者需接受关节修复治疗，严重影响患者的生活质量。
[0003]关节炎疾病的主要表征是关节软骨病变，其治疗方式主要根据软骨病变程度予以选择。初期可采用软骨移植修复，如:骨髓刺激术、自体软骨移植、同种异体软骨移植、自体软骨细胞移植、人工材料修复软骨缺损等，每种方法均存在自身适应症和局限性，主要有:材料源受限、植入物存活率和免疫反应等，而且大多属于小范围修复。后期采用关节置换术进行治疗已是非常成熟的技术。目前，髋关节假体植入物常用材料有金属-高交联聚乙烯、陶瓷-高交联聚乙烯、陶瓷-陶瓷等，但仍然存在应力遮挡、假体松动、潜在金属离子的危害、陶瓷碎裂和异响等技术难题亟待解决。临床结果统计表明选择关节置换术的患者正趋于年轻化，而且假体植入一定期限后翻修率较高，影响假体使用寿命。因此，为减轻患者疼痛并恢复关节功能，提高假体服役期内的可靠性和延长使用寿命一直是假体设计的宗旨和追求目标。
[0004]人体关节软骨为一种流/固两相粘弹性、多层多孔介质材料，而人工关节假体多为单层硬质材料，在组织结构、材料属性、生物力学与摩擦学性能方面与自然关节相比还存在较大差异，更多扮演着“功能再现”的角色，随着服役周期的延长将出现各种各样的问题。针对目前髋关节疾病治疗方法尚存的不足，随着先进制造技术和生物材料学的迅猛发展，基于对自然关节的组织结构与材料特性的认识，应用仿生学的设计理念和组织工程技术修复病变关节已成为当前研究热点。丁春明等发明了《一种组织工程关节双相支架及其制备方法和应用》(申请号:201310202139.X)，为组织工程关节替代现行人工关节进行生物重建提供了一种可能，但在支架固定、承载性能等方面还存在不足。因此，本发明提出了一种具有内生长功能的仿生人工髋关节假体设计，旨在通过人工软骨或组织工程软骨替代病变软骨以保持原有的优良特性，诱导或促使成骨细胞在载有生长因子的多孔支架内生长，保证假体植入后的可靠性和稳定性。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有内生长功能的仿生人工髋关节，该关节假体具有良好的生物力学性能和摩擦学性能，同时能够最大限度的保存骨量和维持股骨的生物力学特征，并通过诱导或促进成骨细胞生长保证假体植入物与自然骨足够的界面结合强度，提高假体植入后的稳定性和使用寿命，满足广大患者的生理与功能需求。
[0006]为了达到上述目的，本发明的技术方案:
[0007]—种具有内生长功能的仿生人工髋关节，包括上表面为椭球型曲面的多孔支架层3，在多孔支架层3下表面中心一体化成型的股骨柄5，还包括人工软骨层1，通过界面粘结层2将多孔支架层3与人工软骨层I相连接；所述多孔支架层3上表面是以人体两侧股骨头中心连线即冠状轴为长轴，垂直轴为短轴，长轴长为40-60mm，人工软骨层I和多孔支架层3具有相同的椭球扁率为0-10%，人工软骨层I的厚度为0.5-2.5_;所述人工软骨层I和多孔支架层3的球面包覆角为60-120° ;所述股骨柄5的表面制备有生物活性涂层6。
[0008]当所述人工软骨层I和多孔支架层3的球面包覆角为80-120°时，在所述多孔支架层3的下表面围绕股骨柄5设置有均匀分布的3-6个凸形柱状体4。
[0009]所述凸形柱状体4的形状为正六棱柱、正三棱柱或锥形柱，其外接圆直径为4-6mm,凸形柱状体4的高度为5_10mmo
[0010]所述多孔支架层3通过有限元方法进行优化以获得具有梯度的多孔模型，孔径为300 μ m-800 μ m，孔型为立方体单元、蜂窝状、菱形十二面体、金刚石单元体或极小表面，孔隙率达到20-85 %，孔隙连通率大于95 %。
[0011]所述股骨柄5为锥形柄，其锥度为1-3°。
[0012]所述人工软骨层I的材料采用如下任意一种:
[0013]a:聚乙烯醇与聚吡咯烷酮类成分聚合所成的多孔状水凝胶结构体，其中两者质量比为1: (0.01-1)，所成的多孔状水凝胶结构体的弹性模量为0.5-1OMPa ;
[0014]b:聚乙烯醇溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、透明质酸或透明质酸钠；
[0015]c:聚乙烯醇、纳米羟基磷灰石、蚕丝和去离子水混合材料；
[0016]d:采用自由基聚合反应获得的氧化石墨烯-羟基磷灰石-聚丙烯酰胺-海藻酸钠复合水凝胶；
[0017]e:聚乳酸PGA和聚乙醇酸PLA支架与组织工程培养的软骨层。
[0018]所述多孔支架层3的材料采用如下任意一种:
[0019]a:载有生长因子的壳聚糖海绵体的聚己内酯PCL和羟基磷灰石HA支架，其中生长因子为骨形态发生蛋白BMP、转化生长因子TGF-β、骨诱导因子0IF、碱性成纤维细胞生长因子BFGF、胰岛素样生长因子IGF、血小板源性生长因子TOGF中的任一种；
[0020]b:纳米级羟基磷灰石和医用高分子材料的复合材料；
[0021]c:陶瓷多孔支架包含选自氧化铝、氧化锆、二氧化硅、多铝红柱石、透辉石、硅灰石、硅酸三钙石、斜硅钙石、镁黄长石、钙镁橄榄石、生物医用玻璃及磷酸钙类陶瓷中的至少一种；
[0022]d:钛合金或钽金属的金属合金；
[0023]e:聚醚醚酮 PEEK。
[0024]所述医用高分子材料为聚酰胺6、聚酰胺66或聚乙烯；所述磷酸钙类陶瓷为羟基磷灰石、磷酸三钙或氟化磷灰石。
[0025]所述界面结合层2的材料为纤维蛋白胶或生物胶。
[0026]所述生物活性涂层6采用烧结法、化学镀、电镀、等离子喷涂方法或高能粒子束成型法在股骨柄5表面制备具有生物活性的多孔涂层；生物活性涂层6从基底由里往外喷涂材料成分呈梯度变化；生物活性涂层6材料采用羟基磷灰石纳米粉末、生物活性玻璃粉末和氧化钛纳米粉末形成的复合材料或钛或钛合金或钽，生物活性涂层6材料的粉末粒径为30-100nm，生物活性涂层6的厚度为50-200 μ m ;生物活性涂层6的孔隙率为10-85%。
[0027]与现有技术相比，本发明具备如下优点:
[0028]I)关节表层采用软质的人工材料替代受损的自然软骨，具有优良的摩擦学性能；同时椭球型曲面的表面形貌特征在应对微分离、冲击碰撞等情况时表现出更优的容错性和较低的磨损；
[0029]2)根据骨小梁或松质骨结构特征和材料属性，将关节设计为多孔结构，通过有限元方法进行优化以获得具有梯度的多孔模型，满足强度和细胞内生长的要求，关节植入后依然能够维持原有骨的生物力学特征，而且最大限度的保存骨量，避免出现“应力遮挡”和假体松动。
[0030]3)根据关节病变区域设计两种不同的紧固结构，初期通过股骨柄的过盈配合或者不同截面形状的凸形柱状体4进行机械式紧固，后期通过诱导或促进成骨细胞沿着股骨柄和多孔支架层的孔隙内生长，实现生物型紧固，两种方式相结合以保证假体植入物与自然骨具有足够的界面结合强度，提高假体的稳定性和使用寿命。
【附图说明】
[0031]图1为具有内生长功能的仿生人工髋关节的结构示意图；
[0032]图2为仿生人工髋关节的结构原理图，其中，图2(a)为球面包覆角为80_120°结构；图2(b)球面包覆角为60-80°结构。
【具体实施方式】
[0033]下面结合说明书附图和实施例对本发明进行详细说明，本实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围并不局限于下述实施例。
[0034]—种具有内生长功能的仿生人工髋关节假体属于半髋表面置换。根据患者的CT或MRI影像，初步确定软骨病变的发生区域和范围，以及软骨层的厚度(临床研究统计表明人体自然软骨的厚度在0.5-2.5_之间，每个人的结果不尽相同，需通过相应的检测手段获取)，完成髋关节的三维解剖形态模型的重建，即可确定具有内生长功能的仿生人工髋关节假体的人工软骨层和多孔支架的厚度。此外，基于病变的区域拟定假体植入安装的位置。
[0035]如图1、2所示，根据人体自然关节的组织结构与材料特征进行仿生设计，本发明一种具有内生长功能的仿生人工髋关节，采用三层结构:表层为人工软骨层1，采用人工软骨或组织工程软骨替代自然软骨以表征优良的生物摩擦学性能；底层为多孔支架层3，用于仿生软骨下骨或骨小梁结构，在弹性模量上与其非常接近以减小甚至避免应力遮挡的发生，还能满足人体正常或极限运动过程中所需的力学强度，此外，向载有相关生长因子的支架内植入成骨细胞，诱导细胞生长，实现机械型与生物型相结合的紧固方式以增强假体植入后的稳定性；表层与底层之间为界面结合层2，主要依靠生物胶等方法保证两者的界面结合强度，以避免在服役过程中发生相对滑移、剥落等现象而影响假体的使用寿命。例如，每层所选材料可为:人工软骨层I选用:聚乙烯醇溶液中加入聚乙烯吡咯烷酮、壳聚糖、透明质酸或透明质酸钠；而多孔支架层3选用钛合金或钽金属等金属合金。为了保证表层与底层之间的界面结合强度，需采用涂镀或喷涂等技术在多孔支架层3外表面粘附一层羟基磷灰石等活性涂层，然后再通过纤维蛋白胶或生物胶等方法将二者紧固。
[0036]随着现代测试技术的发展，对于髋关节的形态学和解剖结构的认识越来越清晰，不同的髋关节表面几何形貌对摩擦表面的接触力学影响显著。目前大多数人