CN104814812A - 人工关节体和人工假体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人工关节体和人工假体，人工关节体包括至少一个与其他关节体配合的摩擦配合面，人工关节体包括石墨烯材料形成抗磨部，抗磨部设置在摩擦配合面上并覆盖至少一部分摩擦配合面。应用本发明的技术方案，在摩擦配合面的表面设置石墨烯材料形成的抗磨部，或直接形成石墨烯图层，能够有效提高人工关节体的抗磨性能，延长人工关节假体的使用寿命，同时石墨烯化学性能稳定，生物相容性好，不易引发其他症状，适合于长期在人体内使用。

Description

人工关节体和人工假体

技术领域

本发明涉及人工关节领域，具体而言，涉及一种人工关节体和人工假体。

背景技术

人工关节置换术经历了近一个多世纪的发展，已成为关节疾病的有效治疗手段。对于关节终末期疾患，关节置换不论从临床疗效还是从效价比来说都是一种非常成功的治疗方法。手术不仅能够解除疼痛，改善关节活动度和恢复关节功能，更重要的是提高了患者生活质量。目前人们的关注点已从预防假体早期松动转到如何获得长期生存上，术后活动量的增大和人类寿命的延长对假体的使用寿命提出了更为严格的要求。

影响关节假体寿命的因素很多，但人工关节的磨损已经成为制约假体远期效果的最主要因素。因此，选择低磨损的关节摩擦副至关重要。金属与超高分子量聚乙烯配对的人工关节是目前最常用的组合，但聚乙烯与金属磨损颗粒导致的骨溶解是远期失败的最主要因素之一。为此，学者们不断探索新的组合，包括：高交联高分子量聚乙烯的应用、金属对金属组合、陶瓷对陶瓷组合、陶瓷对聚乙烯组合等，这些新组合在体外具有优良的摩擦和润滑性能，但也存在各自缺点，且远期疗效尚待观察。

目前，最常见的人工关节摩擦界面组合有：金属-超高分子量聚乙烯、金属-高交联聚乙烯、金属-金属、陶瓷-陶瓷和陶瓷-聚乙烯组合。这些人工关节摩擦界面组合各有优缺点。

金属—超高分子量聚乙烯界面，目前临床多采用钴铬钼合金和聚乙烯配对，具有低摩擦和较好的生物相容性等优点，长期的临床实践证明其具有较好的稳定性，超过15年的随访结果显示假体生存率可达90％。但聚乙烯较差的抗磨损性能，产生大量的磨损颗粒进入关节和周围软组织，是造成骨溶解和松动的主要原因，也是影响假体远期寿命的最直接原因。

金属—高交联超高分子聚乙烯可明显提高抗磨损及老化性能，但聚乙烯过高的交联度会对材料的屈服力、极限抗张强度、可延展度、抗疲劳度产生不利影响，如何获得理想的交联度一直存在争议，并且尚缺乏大宗病例的远期随访。

金属—金属界面，相比金属对聚乙烯界面其摩擦系数大大降低，超过10年的随访结果显示其摩擦率低于1～20μm/年，而金属对聚乙烯的摩擦率为70～600μm/年。另外，体内外研究证实，金属对金属关节的线性摩擦率只相当于金属对普通超高分子聚乙烯的百分之一。伴随低摩擦率而来的是骨溶解率大大降低。但是，金属假体磨损将释放金属离子和颗粒，研究显示患者钴铬离子的血清浓度可达正常人的7倍，潜在的金属离子致癌可能、金属过敏和肾毒性等问题均有待进一步解决，尤其是金属过敏可能与假体失败密切相关。

陶瓷—陶瓷界面，是目前已知的最低摩擦关节组合。陶瓷具有极高的表面硬度有利于表面抛光，产生更小的表面粗糙度，可减少摩擦。而陶瓷的表面亲水性能使滑液可以更均匀的分布于摩擦面，有助于润滑性能。另外，陶瓷对陶瓷关节还可以在不增加关节磨损的情况下，增大股骨头假体的直径来增加关节的活动度、减少脱位概率。陶瓷磨损颗粒的相对生物惰性也有利于减轻骨溶解反应。同样，陶瓷对陶瓷关节也存在着一定的缺点，如陶瓷头及臼杯的碎裂、术后的嘎吱声等。

陶瓷—聚乙烯界面，相对于陶瓷对陶瓷界面，降低了陶瓷头碎裂的发生率，术后发生撞击时能将危害降到最低。同时也能够降低一部分手术费用。但由于陶瓷的脆性问题，还是存在碎裂发生的概率。还会出现聚乙烯磨损颗粒，翻修困难等问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种人工关节体和人工假体，以解决现有技术中的人工关节体的抗磨能力不足，制约人工关节体的使用寿命的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种人工关节体，包括至少一个与其他关节体配合的摩擦配合面，人工关节体包括石墨烯材料形成抗磨部，抗磨部设置在摩擦配合面上并覆盖至少一部分摩擦配合面。

进一步地，抗磨部包括单层石墨烯材料层。

可替换地，抗磨部包括多层石墨烯材料层。

进一步地，抗磨部覆盖全部的摩擦配合面。

可替换地，抗磨部覆盖一部分摩擦配合面。

进一步地，人工关节体包括多个抗磨部，多个抗磨部覆盖摩擦配合面的多个相互间隔的部位。

进一步地，设置有抗磨部的摩擦配合面的表面经过抛光处理，抗磨部通过表面外延生长、气相沉积、还原氧化或喷涂的方法设置在摩擦配合面上。

进一步地，摩擦配合面的材料为钛合金、钴铬钼合金或不锈钢。

进一步地，人工关节体为髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节或踝关节。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种人工假体，包括多个相互配合的人工关节体，多个相互配合的人工关节体之间形成至少一个相互配合的摩擦配合结构，多个人工关节体中的一个或多个上述的人工关节体，人工关节体的摩擦配合面与其他人工关节体配合形成摩擦配合结构。

应用本发明的技术方案，在摩擦配合面的表面设置石墨烯材料形成的抗磨部，或直接形成石墨烯图层，能够有效提高人工关节体的抗磨性能，延长人工关节假体的使用寿命，同时石墨烯化学性能稳定，生物相容性好，不易引发其他症状，适合于长期在人体内使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的人工关节体的胫骨关节体的第一种实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的人工关节体的胫骨关节体的第二种实施例的示意图；以及

图3示出了根据本发明的人工关节体的胫骨关节体的第三种实施例的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明的一个方面，提供了一种人工关节体，如图1至3所示，该人工关节体包括至少一个与其他关节体配合的摩擦配合面10，人工关节体包括石墨烯材料形成抗磨部20，抗磨部20设置在摩擦配合面10上并覆盖至少一部分摩擦配合面10。

材料发生磨损的机理是，摩擦副之间产生的能量足以使材料分子键断裂，从而导致材料磨损的发生。因此，可以从以下两个方面来提高材料的耐磨性：一是增强材料分子键强度；二是减小摩擦副之间的摩擦系数。石墨烯是由碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。单层的石墨烯具有非常大的比表面积(2630m²/g)，以及高的杨氏模量(1100GPa)和断裂强度(125GPa)。因此，石墨烯材料具超过其他材料的抗磨损性能。同时，石墨烯的润滑性能好，其摩擦系数很小。因此，石墨烯的耐磨性能非常好，适合于作为经常摩擦的接触面的抗磨图层。

另外，石墨烯化学性质稳定，生物相容性好，耐腐蚀性能强，考虑将其涂覆在人工关节摩擦面，形成石墨烯-金属、石墨烯-陶瓷甚至石墨烯-石墨烯摩擦界面组合，可以明显提高人工关节面的抗磨损性能，有效降低材料的磨损，从而延长人工关节假体的寿命。

因此，在摩擦配合面10的表面设置石墨烯材料形成的抗磨部20，或直接形成石墨烯图层，能够有效提高人工关节体的抗磨性能，延长人工关节假体的使用寿命，同时石墨烯化学性能稳定，生物相容性好，不易引发其他症状，适合于长期在人体内使用。

优选地，抗磨部20包括单层石墨烯材料层。可替换地，抗磨部20包括多层石墨烯材料层。

图1至3示出了具有本发明的石墨烯材料的抗磨部20的胫骨关节体。根据图1示出的实施例，抗磨部20覆盖全部的摩擦配合面10。

而根据图2示出的实施例，抗磨部20覆盖一部分摩擦配合面10。这样更加具有经济性，石墨烯的用量较少，并且关节体的耐磨性能基本不变。

根据图3示出的实施例，人工关节体包括多个抗磨部20，多个抗磨部20覆盖摩擦配合面10的多个相互间隔的部位。在该实施例中，石墨烯形成的抗磨部20呈孤岛状分散在摩擦配合面10上，抗磨部20覆盖的区域均为摩擦最频繁、剧烈的区域。

优选地，设置有抗磨部20的摩擦配合面10的表面经过抛光处理，抗磨部20通过表面外延生长、气相沉积、还原氧化或喷涂的方法设置在摩擦配合面10上。

本发明给出一种在金属界面上生成石墨烯抗磨部20的方法：首先将人工关节假体放置于含碳蒸汽中，碳蒸汽可以是甲烷、乙烯、丙烯、乙醇等含碳气体；让碳原子在1000～1200℃，例如1150℃下渗入Co合金、不锈钢等人工关节材料；然后冷却至600～900℃，例如850℃，之前吸收的大量碳原子就会浮到金属表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯。此方法形成的石墨烯层与金属界面相互作用较强，易形成碳化金属相，这样能够保证石墨烯涂层足够的粘结强度。

优选地，摩擦配合面10的材料为钛合金、钴铬钼合金或不锈钢。金属材料的表面更适合加工石墨烯图层，并且如钛合金等材料也具有良好的生物相容性，减小用户发生过敏等反应的机率。

优选地，人工关节体为髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节或踝关节。当然，石墨烯抗磨部20的应用不会局限于上述各种关节体，任何能产生摩擦的关节面均可以采用本发明提供的人工关节体。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种人工假体，包括多个相互配合的人工关节体，多个相互配合的人工关节体之间形成至少一个相互配合的摩擦配合结构，多个人工关节体中的一个或多个上述的人工关节体，人工关节体的摩擦配合面10与其他人工关节体配合形成摩擦配合结构。

摩擦配合结构可以为石墨烯-金属摩擦面、石墨烯-陶瓷摩擦面甚至石墨烯-石墨烯摩擦面的摩擦配合结构。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工关节体，包括至少一个与其他关节体配合的摩擦配合面(10)，其特征在于，所述人工关节体包括石墨烯材料形成抗磨部(20)，所述抗磨部(20)设置在所述摩擦配合面(10)上并覆盖至少一部分所述摩擦配合面(10)。

2.根据权利要求1所述的人工关节体，其特征在于，所述抗磨部(20)包括单层石墨烯材料层。

3.根据权利要求1所述的人工关节体，其特征在于，所述抗磨部(20)包括多层石墨烯材料层。

4.根据权利要求1所述的人工关节体，其特征在于，所述抗磨部(20)覆盖全部的所述摩擦配合面(10)。

5.根据权利要求1所述的人工关节体，其特征在于，所述抗磨部(20)覆盖一部分所述摩擦配合面(10)。

6.根据权利要求5所述的人工关节体，其特征在于，所述人工关节体包括多个抗磨部(20)，所述多个抗磨部(20)覆盖所述摩擦配合面(10)的多个相互间隔的部位。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的人工关节体，其特征在于，设置有所述抗磨部(20)的所述摩擦配合面(10)的表面经过抛光处理，所述抗磨部(20)通过表面外延生长、气相沉积、还原氧化或喷涂的方法设置在所述摩擦配合面(10)上。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的人工关节体，其特征在于，所述摩擦配合面(10)的材料为钛合金、钴铬钼合金或不锈钢。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的人工关节体，其特征在于，所述人工关节体为髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节或踝关节。

10.一种人工假体，包括多个相互配合的人工关节体，所述多个相互配合的人工关节体之间形成至少一个相互配合的摩擦配合结构，其特征在于，所述多个人工关节体中的一个或多个如权利要求1至9中任一项所述的人工关节体，所述人工关节体的摩擦配合面(10)与其他所述人工关节体配合形成所述摩擦配合结构。