專利名稱：具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及人工關(guān)節(jié)等植入體摩擦表面領(lǐng)域，特別是一種具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面及其制備方法。
背景技術(shù)：
日?；顒又?，人工關(guān)節(jié)在頻繁的摩擦作用下極易發(fā)生磨損，產(chǎn)生的磨屑在體內(nèi)積聚，能誘發(fā)基體細(xì)胞產(chǎn)生一系列不良生物反應(yīng)，導(dǎo)致假體周圍骨質(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)，自然軟骨表面存在微觀粗糙度大約為1_6μπι的微觀凹凸結(jié)構(gòu)，如圖3 所示，良好的微孔結(jié)構(gòu)可以緩沖震蕩承受壓力，又能起到儲存潤滑液，改善人工關(guān)節(jié)潤滑環(huán)境的作用。此外，在關(guān)節(jié)滑膜腔與淺表層界面處伸出由游離的蛋白聚糖、蛋白聚糖和透明質(zhì)酸聚集體等的刷狀物。這種刷子型結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的水化能力，有效地起到改善潤滑、減小磨損作用，賦予自然關(guān)節(jié)超潤滑功能(摩擦系數(shù)在0.001到0.01之間)。自然關(guān)節(jié)軟骨平均使用壽命達(dá)70年之久，遠(yuǎn)高于目前人工關(guān)節(jié)的使用壽命(20-30年)。模擬自然軟骨的結(jié)構(gòu)和功能，在人工關(guān)節(jié)表面構(gòu)建多孔及刷狀結(jié)構(gòu)，對改善人工關(guān)節(jié)表面生物摩擦學(xué)性能及生物相容性、減少磨屑的組織反應(yīng)、減輕人工關(guān)節(jié)的無菌松動和骨溶解、延長其使用壽命等方面，具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度微結(jié)構(gòu)表面及其制備方法。該仿生多尺度微結(jié)構(gòu)可構(gòu)建與于金屬關(guān)節(jié)頭、關(guān)節(jié)白和金屬膝關(guān)節(jié)摩擦表面。具有該結(jié)構(gòu)的金屬承載摩擦面與金屬、陶瓷和超高分子量聚乙烯或自身組成人工關(guān)節(jié)摩擦副，植入人體后能有效改善潤滑，減少摩擦、磨損和磨屑的產(chǎn)生，此外，由于接枝磷酸膽堿等生物相容性優(yōu)良的高分子，可有效減輕磨屑的組織反應(yīng)、骨溶解和無菌松動，明顯延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命。本發(fā)明的原理為模擬天然關(guān)節(jié)軟骨多孔和淺表層的刷狀結(jié)構(gòu)與潤滑功能，在人工關(guān)節(jié)摩擦表面構(gòu)造微米尺度多孔結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，并在其上接枝親水強(qiáng)、生物相容性好的聚合物分子刷，形成從微米、納米到分子的多尺度表面結(jié)構(gòu)。多孔結(jié)構(gòu)可改善流體動壓潤滑，聚合物分子刷能吸附水形成水合層潤滑，兩者協(xié)同作用降低人工關(guān)節(jié)摩擦與磨損，同時(shí)改善生物相容性，減少磨屑的組織反應(yīng)，減輕人工關(guān)節(jié)的無菌松動和骨溶解，提高其使用壽命。根據(jù)原理，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為在人工關(guān)節(jié)材料表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)及聚合物刷。所述人工關(guān)節(jié)主要為鈦合金、鈷基合金或不銹鋼等常用的金屬人工關(guān)節(jié)材料。金屬表面多孔結(jié)構(gòu)由物理方法(如激光刻蝕、表面噴丸處理、電子束刻蝕)，化學(xué)方法(如陽極氧化)，或其他可制備多孔結(jié)構(gòu)的方法獲得；聚合物分子刷為高分子單體在輻照(紫外光、Y射線)、臭氧活化或化學(xué)溶液等作用下共價(jià)鍵合于多孔人工關(guān)節(jié)摩擦表面，同時(shí)發(fā)生均聚反應(yīng)形成的類似“刷狀”結(jié)構(gòu)的聚合物層。具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的人工關(guān)節(jié)摩擦表面仿生多尺度結(jié)構(gòu)的制備方法，具體實(shí)施過程包括以下步驟
步驟1、采用激光刻蝕法或陽極氧化法在合金表面制備微米尺度的微孔群；
步驟2、多孔合金羥基化預(yù)處理；
步驟3、多孔合金硅烷化處理；
步驟4、多孔合金光敏處理；
步驟5、接枝聚合物分子刷；
步驟6、清洗并干燥。步驟1中所述的合金包括鈦合金、鈷基合金或不銹鋼；采用激光刻蝕法制備的微孔孔徑為100-500 μ m,深度為10-80 μ m,微孔面積密度為1_20%。步驟2中所述的羥基化處理為在H2O蒸汽等離子體、O2等離子體或紫外光中預(yù)處理 5-30min。步驟3中所述硅烷化處理為在1-20%硅烷偶聯(lián)劑中靜置2-Mh，所述硅烷偶聯(lián)劑為
甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基硅烷。步驟4中所述的光敏劑為二苯甲酮，其摩爾濃度為0.01-2mol/L，光敏處理時(shí)間為 30-180s。步驟5中所述的接枝單體為乙烯基吡咯烷酮(NVP)、N，N-二甲基-N-(甲基丙烯酰氧乙基)氨基丙磺酸內(nèi)鹽(DMAPS)、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(DMMPPQ或2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)，所述的單體濃度為 0. 05-10mol/L，所述的接枝方式為紫外光引發(fā)，接枝時(shí)間為10-60min。本發(fā)明創(chuàng)新性及突出優(yōu)點(diǎn)在于
1.模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的多孔和淺表層刷狀結(jié)構(gòu)與潤滑功能，在金屬關(guān)節(jié)承載摩擦表面構(gòu)建多孔結(jié)構(gòu)并接枝聚合物刷。表面多孔結(jié)構(gòu)改善流體動壓潤滑，親水性聚合物分子刷吸附水形成水合層潤滑，利用兩者協(xié)同潤滑作用降低人工關(guān)節(jié)摩擦與磨損。此外，部分分子刷接枝于微孔內(nèi)，摩擦過程中難以被去除，可起長期潤滑作用。2.該仿生多尺度微結(jié)構(gòu)可構(gòu)建與于金屬關(guān)節(jié)頭、關(guān)節(jié)臼和金屬膝關(guān)節(jié)摩擦表面。 具有該結(jié)構(gòu)的金屬承載摩擦表面既可以與金屬、陶瓷和超高分子量聚乙烯或自身組成人工關(guān)節(jié)摩擦副，又可以與自然軟骨配副用作關(guān)節(jié)表面置換。植入人體后在能有效改善潤滑，減少摩擦、磨損和磨屑的產(chǎn)生的同時(shí)，由于接枝磷酸膽堿等生物相容性優(yōu)良的高分子，可有效減輕磨屑的組織反應(yīng)、骨溶解和無菌松動，明顯延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命。下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。


圖1是人工關(guān)節(jié)承載摩擦副表面仿生多尺度微結(jié)構(gòu)(1.聚合物分子刷2.微米級多孔結(jié)構(gòu)3.人工關(guān)節(jié)承載摩擦副)。圖2是自然關(guān)節(jié)淺表層示意圖(1.刷狀聚蛋白多糖2.透明質(zhì)酸3.蛋白多糖)。圖3是自然軟骨表面微孔結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例2中鈦合金表面激光刻蝕制備多孔結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。圖5是本發(fā)明實(shí)施例7中鈦合金表面陽極氧化制備多孔結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式人工關(guān)節(jié)摩擦表面仿生多尺度結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟
(1))采用激光刻蝕法或陽極氧化法在鈦合金、鈷基合金、不銹鋼合金表面制備微孔群；采用激光刻蝕法制備的微孔孔徑為100-500 μ m，深度為10-80 μ m，微孔面積密度為 1-20% ；
(2)在H2O等離子體、O2等離子體或紫外光中預(yù)處理5-30min，獲得羥基化表面；
(3)放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1-20%硅烷偶聯(lián)劑中靜置2-Mh，真空干燥箱干燥固化，獲得硅烷化表面；
(4)在光敏劑存在的情況下，紫外光引發(fā)與多孔基體表面接枝生物相容性單體，優(yōu)選光敏劑預(yù)涂覆在超高分子量表面。浸入0. Ol-lOmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液30_180s，使表面涂覆光敏劑，暗室干燥；
(5)配置0.05-10mol/L的單體溶液，將預(yù)涂覆光敏劑的樣品放入，置于紫外光燈下照射 10-60min ；
(6)用50°C乙醇和去離子水清洗，真空干燥Mh。實(shí)施例1
用脈沖激光器對鈦合金(TC4)表面制備規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，在鈦合金表面形成孔徑為 500 μ m,深度為80 μ m,微孔群的面積密度為1%，采用等離子體刻蝕機(jī)500w高頻輸出H2O 蒸汽等離子體，處理多孔鈦合金表面5min ；浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置池，乙醇清洗，真空干燥箱固化。將硅烷化后的試樣浸入 O.Olmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中180s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置0. 05mol/ L的MPC單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕?，樣品浸入單體溶液并置于紫外燈下輻照接枝 60mino實(shí)施例2
如圖4所示，用脈沖激光器對鈦合金(TC4)表面制備規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，在鈦合金表面形成孔徑為350 μ m,深度為52 μ m,微孔群的面積密度為2. 6%，采用等離子體刻蝕機(jī)500w高頻輸出H2O等離子體，處理多孔鈦合金表面IOmin ；浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置6h，乙醇清洗，真空干燥箱固化。將硅烷化后的試樣浸入0. lmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置lmol/L的 NVP單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕?，樣品浸入單體溶液并置于紫外燈下輻照接枝45min。實(shí)施例3
用脈沖激光器在鈷基合金(Co-Cr-Mo)表面制備規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，在Co-Cr-Mo合金表面形成孔徑為288 μ m,深度為34 μ m,微孔群的面積密度為7. 5%，采用等離子體刻蝕機(jī)500w 高頻輸出H2O等離子體，處理多孔鈦合金表面20min ；浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置12h，乙醇清洗，真空干燥箱固化；將硅烷化后的試樣浸入0. 5mol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置 lmol/L的MPC單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕猓瑯悠方雴误w溶液并置于紫外燈下輻照接枝 30min。實(shí)施例4
用脈沖激光器在鈷基合金(Co-Cr-Mo)表面制備規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，在Co-Cr-Mo合金表面形成孔徑為137 μ m，深度為15 μ m，微孔群的面積密度為12%，采用等離子體刻蝕機(jī)500w高頻輸出化等離子體，處理多孔鈦合金表面30min ；浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置Mh，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化；將硅烷化后的試樣浸入lmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置 2mol/L的DMAPS單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕?，樣品浸入單體溶液并置于紫外燈下輻照接枝30min。實(shí)施例5
用脈沖激光器在不銹鋼(316L)表面制備規(guī)則微孔結(jié)構(gòu)，在不銹鋼表面形成孔徑為 100 μ m,深度為12 μ m,微孔群的面積密度為20%，采用等離子體刻蝕機(jī)500w高頻輸出仏等離子體，處理多孔鈦合金表面30min ；浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置12h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。將硅烷化后的試樣浸入2mol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置lOmol/L的DMMPPS單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕?，樣品浸入單體溶液并置于紫外燈下輻照接枝lOmin。實(shí)施例6
鈦合金(TC4)進(jìn)行打磨拋光，并放入丙酮、乙醇和蒸餾水中超聲清洗，在硫酸電解液中進(jìn)行陽極氧化20min，氧化電壓為120V，乙醇、去離子水清洗；陽極氧化樣品在紫外光下輻照獲得羥基化鈦合金表面；鈦合金試樣浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置6h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。將硅烷化后的試樣浸入0. Olmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中30s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置lmol/L的NVP單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕猓瑯悠方雴误w溶液并置于紫外燈下輻照接枝40min。實(shí)施例7
如圖5所示，鈦合金(TC4)表面進(jìn)行打磨拋光，并放入丙酮、乙醇和蒸餾水中超聲清洗， 在磷酸電解液中進(jìn)行陽極氧化15min，氧化電壓為100V，表面形成的微孔結(jié)構(gòu)如圖5，乙醇、 去離子水清洗；陽極氧化樣品在紫外光下輻照獲得羥基化鈦合金表面；鈦合金試樣浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室溫下靜置2h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。將硅烷化后的試樣浸入0. Olmol/L 二苯甲酮的丙酮溶液中180s以附著光敏劑，暗室干燥去除丙酮；配置0. 05mol/L的MPC單體溶液，通入氮?dú)庖匀コ鯕?，樣品浸入單體溶液并置于紫外燈下輻照接枝20min。對比例1
按照實(shí)施例2和7分別在鈦合金表面制備仿生多尺度微結(jié)構(gòu)，并測試其表面接觸角，用于表征材料表面潤濕性，測得接觸角大小分別為，21°，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于未改性樣品表面的接觸角(68° )。表明仿生多尺度微結(jié)構(gòu)對改善鈦合金表面潤濕性效果顯著。對比例2
按照實(shí)施例2和7分別在鈦合金表面制備仿生多尺度微結(jié)構(gòu)，在銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)與超高分子量聚乙烯對磨測試摩擦系數(shù)。以生理鹽水作為潤滑劑，載荷為5MPa，速度為 5cm/s在樣品表面滑動。測得表面接枝聚合物刷的摩擦系數(shù)為0. 01和0. 02，低于未改性樣品表面的摩擦系數(shù)(0.58)。表明仿生多尺度微結(jié)構(gòu)能有效改善鈦合金表面摩擦學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.一種具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于所述方法包括以下步驟步驟1、采用激光刻蝕法或陽極氧化法在合金表面制備微米尺度的微孔群；步驟2、多孔合金羥基化預(yù)處理； 步驟3、多孔合金硅烷化處理； 步驟4、多孔合金光敏處理； 步驟5、接枝聚合物分子刷； 步驟6、清洗并干燥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于步驟1中所述的采用激光刻蝕法制備的微孔孔徑為100-500 μ m，深度為 10-80 μ m,微孔面積密度為1_20%，所述的合金包括鈦合金、鈷基合金或不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于步驟2中所述的羥基化處理為所述多孔合金在H2O蒸汽等離子體、&等離子體或紫外光中預(yù)處理5-30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于步驟3中所述硅烷化處理為所述多孔合金在1-20%硅烷偶聯(lián)劑中靜置 2-24h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于所述的硅烷偶聯(lián)劑為甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基娃焼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于步驟4中所述的光敏劑為二苯甲酮，其摩爾濃度為0. 01-2mol/L,光敏處理時(shí)間為30-180s。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面的制備方法，其特征在于步驟5中所述的接枝單體為乙烯基吡咯烷酮、N，N-二甲基-N-(甲基丙烯酰氧乙基)氨基丙磺酸內(nèi)鹽、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，所述的單體濃度為0. 05-10mol/L，所述的接枝方式為紫外光引發(fā)，所述的接枝時(shí)間為10-60min。
8.一種具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面，其特征在于所述的結(jié)構(gòu)表面按以下步驟制成步驟a、采用激光刻蝕法或陽極氧化法在合金表面制備微米尺度的微孔群；步驟b、多孔合金羥基化預(yù)處理；步驟C、多孔合金硅烷化處理；步驟d、多孔合金光敏處理；步驟e、接枝聚合物分子刷；步驟f、清洗并干燥。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面，其特征在于步驟a中采用激光刻蝕法制備的微孔孔徑為100-500 μ m,深度為10-80 μ m,微孔面積密度為1_20%，所述的合金包括鈦合金、鈷基合金或不銹鋼，步驟b中所述的羥基化處理為在H2O蒸汽等離子體、O2等離子體或紫外光中預(yù)處理5-30min，步驟c中所述硅烷化處理為在1-20%硅烷偶聯(lián)劑中靜置2-Mh，步驟d中所述的光敏劑為二苯甲酮，其摩爾濃度為 0. 01-2mol/L，光敏處理時(shí)間為30_180s，步驟e中所述的接枝單體為乙烯基吡咯烷酮、N， N-二甲基-N-(甲基丙烯酰氧乙基)氨基丙磺酸內(nèi)鹽、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，所述的單體濃度為 0. 05-10mol/L，所述的接枝方式為紫外光引發(fā)，所述的接枝時(shí)間為10-60min。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的.具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面，其特征在于所述的硅烷偶聯(lián)劑為甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基硅烷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有優(yōu)異生物摩擦學(xué)性能的仿生多尺度結(jié)構(gòu)表面及制備方法。模擬天然關(guān)節(jié)軟骨的多孔和淺表層刷狀結(jié)構(gòu)與潤滑功能，用物理或化學(xué)方法在人工關(guān)節(jié)摩擦表面構(gòu)造微米尺度多孔結(jié)構(gòu)，并接枝親水強(qiáng)、生物相容性好的聚合物分子刷，形成從微米、納米到分子的多尺度結(jié)構(gòu)表面，顯著改善植入體的生物摩擦學(xué)性能，有效減輕磨屑的組織反應(yīng)、骨溶解和無菌松動，明顯延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命。
文檔編號C08F292/00GK102492950SQ20111042143
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者楊遠(yuǎn)圓, 熊黨生 申請人:南京理工大學(xué)