CN103212110A - 一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法 - Google Patents

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熊党生
邓亚玲
王琨
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Abstract

本发明公开了一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法。模拟了天然关节软骨的结构和功能，制备表层具备多孔结构的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，并在其多孔表面接枝具有良好生物相容性的聚合物单体，形成仿生润滑表层。采用本发明及方法制备的人工关节承载部件，显著改善了其生物摩擦学性能，减轻了组织反应和无菌松动，可以延长使用寿命。

Description

一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法
技术领域
本发明属于植入器件，特别是一种带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法。
背景技术
    超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于其优异的综合性能，是目前广泛采用的人工关节材料。临床研究表明，超高分子量聚乙烯人工关节植入人体后发生磨损，产生的磨屑诱发机体细胞产生一系列不良生物反应，引起假体周围产生骨质溶解和无菌松动，严重影响了人工关节的质量和使用寿命。
研究发现，天然软骨是一种具有刚性多孔网络结构的生物材料，能够存储润滑液提供良好的润滑。受到载荷压缩时，润滑液从空隙中流出润滑关节接触面，当载荷移除时，润滑液再次流回组织存储润滑液，极大的降低天然软骨的磨损量。在关节滑膜腔与浅表层界面处，有游离的蛋白聚糖、蛋白聚糖和透明质酸等聚集形成的刷状物，具有较强的水化能力，有效的改善润滑、提高耐磨性，使天然关节软骨具有超润滑功能。
已有学者模拟天然软骨的多孔结构制备人工关节，研究发现：多孔结构可以有效提高聚乙烯人工关节表面的润滑性能，降低了润滑条件下的磨损量[吴刚,张文光,王成焘.仿生UHMWPE软骨材料的制备和性能研究. 功能材料, 2007,38(10):1694-1697. 吴刚,张文光,王成焘. 仿生多孔超高分子量聚乙烯的摩擦磨损性能研究. 摩擦学学报, 2007,27(6):539-543.]。但是该研究制备的人工关节仅具备多孔结构，不具备类似关节滑膜腔与浅表层界面处的刷状物。专利CN201010555982.2提到改善生物相容性与摩擦学性能的人工关节的制备方法，在人工关节聚乙烯表面接枝生物相容性好的聚合物，该方法制备的人工关节的摩擦学性能得到显著改善。但是该方法制备的人工关节假体仅具备类似天然软骨的刷状物，不具有类似天然软骨的多孔结构。
鉴于以上，有必要模拟天然关节软骨的结构和功能，在人工关节承载部件表面构建多孔结构和聚合物刷，对于改善人工关节的摩擦学性能及生物相容性、减少组织反应、延长使用寿命等，具有重要的指导意义。
发明内容
    本发明的目的在于提供一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法。该人工关节部件带有仿生润滑表层，具有该结构的人工关节能有效改善润滑、减少摩擦、磨损和磨屑的产生，延长使用寿命。
实现本发明的技术解决方案为：一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，所述人工关节承载部件由仿生润滑表层和基底构成，所述基底为超高分子量聚乙烯，所述仿生润滑表层由具有多孔结构的超高分子量聚乙烯接枝聚合物单体形成。
所述的人工关节为髋关节、膝关节。
所述的超高分子量聚乙烯为医用级；所述的多孔直径为10-500μm。
所述的接枝方法，包括辐照（紫外光、γ射线、电子束）、臭氧活化或化学处理等方法。
所述的聚合物单体，具有良好的生物相容性，可以是丙烯酸、丙烯酰胺（AM）、N-乙烯基吡咯烷酮、N,N-二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N,N-二甲基-N-丙烷磺酸内盐（MPDSAH）、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）以及具有磷酰胆碱基的单体等。
一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件的制备方法，采用模板-滤取法制备，包括以下步骤：
(1) 将致孔剂粉末与超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到复合粉末；
(2) 将步骤(1) 中的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯分层放入模具中，真空热压成形制备块体材料，然后将该块体材料用去离子水浸泡提纯，除去致孔剂；
(3) 在步骤(2) 中制备的表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件。
步骤(1)中所述的致孔剂为NaCl、K2CO3、聚乙二醇、聚氧化乙烯。
步骤(2)中所述的纯超高分子量聚乙烯为粉末或块体，所述的真空热压具体参数为：真空度为-0.1MPa，压力为2~20MPa，热压温度150~250℃，保温时间0.5~3.5小时。
一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件的方法，采用激光蚀刻法制备，包括以下步骤：
(1) 用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构；
(2) 在表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件。
本发明的原理是：模拟天然关节软骨的多孔结构、聚合物刷状结构和润滑状态，制备表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，并在多孔表面接枝具有良好亲水性和生物相容性的聚合物单体，单体与超高分子量聚乙烯发生共聚反应，同时单体之间发生自聚反应，因而最终在超高分子量聚乙烯聚乙烯表面形成聚合物大分子链。该聚合物分子链在润滑液中吸附水分子舒展开来形成类似刷状的结构。润滑液在多孔中流动形成的流体动压润滑，与聚合物分子链形成的水合层导致的边界润滑，二者协同作用，提高人工关节的耐磨性，改善生物相容性，延长使用寿命。
本发明与现有技术相比具有显著优点：本发明制备的一种带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，其表层模拟了天然关节软骨的结构和功能，具备类似天然软骨的多孔结构和聚合物刷状结构，改变了以往只进行多孔结构制备或聚合物刷状制备的缺陷。多孔结构改善流体动力润滑，接枝的亲水性聚合物链吸附润滑液形成水合层，二者协同作用降低人工关节的摩擦磨损，改善润滑状态。另外，聚合物大分子单体通过化学键接枝键合到超高分子量聚乙烯多孔表面，结合牢固，很好的保持了聚合物大分子的特性。由于接枝的聚合物单体具有良好的生物相容性，可以有效减轻磨屑的组织反应、骨溶解和无菌松动，提高人工关节的可靠性和使用寿命，减少人工关节的翻修和更换频率。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。
一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，采用模板-滤取法制备，包括以下步骤：
(1) 将致孔剂粉末与超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到复合粉末；
(2) 将复合粉末与纯超高分子量聚乙烯（纯超高分子量聚乙烯为粉末或块体）分层放入模具中，真空热压成形制备块体材料，然后将该块体材料用去离子水浸泡提纯，除去致孔剂；真空热压具体参数为：真空度为-0.1MPa，压力为2~20MPa，热压温度150~250℃，保温时间0.5~3.5小时。
(3) 在步骤2中制备的具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体。将样品置于光敏剂二苯甲酮溶液(5-20mg/ml)中，避光静置1~10min，使其表面涂覆光敏剂，避光干燥；将涂覆光敏剂的样品放入一定浓度的单体溶液，紫外光辐照10~90min，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件。
一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，采用激光蚀刻法制备，包括以下步骤：
(1)用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构；
(2)在表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体，将样品材料置于光敏剂二苯甲酮溶液(5-20mg/ml)中，避光静置1~10min，使其表面涂覆光敏剂，避光干燥；将涂覆光敏剂的样品放入一定浓度的单体溶液，紫外光辐照10~90min，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件。
实施例1
将球磨共混的NaCl粉末与超分子量聚乙烯粉末的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯粉末分层装入磨具中，对装入模具的材料进行真空热压，具体参数为：真空度-0.1MPa，压力2MPa，热压温度150℃，保温时间0.5小时。将制备出的块体材料置于去离子水中浸泡除去致孔剂，得到多孔的孔径在100~150μm。将表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯块体材料将试样浸入到5mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置5min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.25mol/L的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照10min。测试样品的接触角为45°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.032。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的54%。
实施例2
将球磨共混的聚乙二醇粉末与超分子量聚乙烯粉末的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯块体分层装入磨具中，对装入模具的材料进行真空热压，具体参数为：真空度-0.1MPa，压力10MPa，热压温度200℃，保温时间2.5小时。将制备出的块体材料置于去离子水中浸泡除去致孔剂，得到多孔的孔径在150~180μm； 将样品浸入到10mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.15mol/L的丙烯酸（AA）溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照20min。测试样品的接触角为30°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.015。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的51%。
实施例3
用模板-滤取法制备多孔超高分子量聚乙烯仿生软骨样品，
将球磨共混的聚氧化乙烯粉末与超分子量聚乙烯粉末的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯块体分层装入磨具中，对装入模具的材料进行真空热压，具体参数为：真空度-0.1MPa，压力20MPa，热压温度250℃，保温时间3.5小时。将制备出的块体材料置于去离子水中浸泡除去致孔剂，得到的多孔的孔径在180~250μm；将样品浸入到15mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置10min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.45mol/L的N,N-二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N,N-二甲基-N-丙烷磺酸内盐（MPDSAH）溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照30min。测试样品的接触角为38°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.028。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的46%。
实施例4
将球磨共混的K2CO3粉末与超分子量聚乙烯粉末的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯粉末分层装入磨具中，对装入模具的材料进行真空热压，具体参数为：真空度-0.1MPa，压力15MPa，热压温度190℃，保温时间1.5小时。将制备出的块体材料置于去离子水中浸泡除去致孔剂，得到的多孔的孔径在40~100μm；将样品浸入到20mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置3min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.35mol/L的丙烯酰胺（AM）溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照90min。测试样品的接触角为50°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.021。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的39%。
实施例5
用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构，孔径为10μm。将样品浸入到10mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置5min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.5mol/L的N-乙烯基吡咯烷酮溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照60min。测试样品的接触角为46°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.04。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的40%。
实施例6
用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构，孔径为300μm。将样品浸入到5mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置10min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.15mol/L的MPC溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照50min。测试样品的接触角为36°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.02。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的55%。
实施例7
用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构，孔径为500μm。将样品浸入到15mg/ml二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1min，干燥除去丙酮；将涂覆光敏剂的样品放入0.05mol/L的MPC溶液中，通氮气除去氧气，置于紫外光下辐照40min。测试样品的接触角为41°，用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂，测得其摩擦系数为0.018。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量为普通UHMWPE的54%。
对比例1
按照实施例2和实施例6，分别制备带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件材料，测试其接触角分别为30°和36°，明显低于未改性样品表面的接触角87°。表明带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节的表面润湿性得到显著改善。
对比例2
按照实施例2和实施例6，分别制备带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件材料。用销盘摩擦磨损试验机测试其与不锈钢球对磨的摩擦系数，以生理盐水为润滑剂。测得样品的摩擦系数为0.015和0.02，明显低于未改性样品的摩擦系数0.07。在人工膝关节磨损试验机上测试的样品磨损量分别为普通UHMWPE的51%和55%。表明带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节的摩擦学性能得到显著改善。

Claims (6)

1.一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，其特征在于，所述人工关节承载部件由仿生润滑表层和基底构成，所述基底为超高分子量聚乙烯，所述仿生润滑表层由具有多孔结构的超高分子量聚乙烯接枝聚合物单体形成。
2.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，其特征在于所述的具有多孔结构的超高分子量聚乙烯的孔径为10-500μm。
3.根据权利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件，其特征在于所述的聚合物单体具有良好的生物相容性，选用丙烯酸、丙烯酰胺、N-乙烯基吡咯烷酮、N,N-二甲基-N-甲基丙烯酰胺基丙基-N,N-二甲基-N-丙烷磺酸内盐或2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱。
4.一种制备权利要求1所述的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件的制备方法，其特征在于采用模板-滤取法制备，包括以下步骤：
(1) 将致孔剂粉末与超分子量聚乙烯粉末球磨共混得到复合粉末；
(2) 将步骤 (1) 中的复合粉末与纯超高分子量聚乙烯分层放入模具中，真空热压成形制备块体材料，然后将该块体材料用去离子水浸泡提纯，除去致孔剂；
(3) 在步骤 (2) 中制备的表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件；
或者，采用激光蚀刻法制备，包括以下步骤：
(1) 用激光器在成型的块体超高分子量聚乙烯表面制备多孔结构；
(2) 在表层具有多孔结构的超高分子量聚乙烯表面接枝聚合物单体，得到带有仿生润滑表层的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件。
5.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件的制备方法，其特征在于，采用模板-滤取法制备中步骤(1)中所述的致孔剂为NaCl、K2CO3、聚乙二醇、聚氧化乙烯。
6.根据权利要求4所述的超高分子量聚乙烯人工关节承载部件的制备方法，其特征在于，采用模板-滤取法制备中步骤(2)中所述的纯超高分子量聚乙烯为粉末或块体，所述的真空热压具体参数为：真空度为-0.1MPa，压力为2~20MPa，热压温度150~250℃，保温时间0.5~3.5小时。
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