CN105879116A - 一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节，所述的人工关节承载界面修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构，并接枝了亲水性聚合物单体，交联网络结构模仿天然关节软骨浅表层的刷状结构，由改性海藻酸钠通过碳碳双键连接到基底表面且同时相互交联构成。所述的人工关节通过以下步骤制备：在基底表面接枝采用甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法改性的海藻酸钠，再在改性的海藻酸钠交联网络结构上接枝亲水性聚合物单体。本发明通过构建交联网络结构使关节表面亲水性耐磨层更加稳固，增强接枝层的持久性，与未处理基底材料相比，摩擦系数可从0.056降低至0.025，表面接触角可从93°降低至14.2°，耐磨性能显著增强，减少了人工关节的翻修和更换频率，延长了人工关节的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于植入器件，具体涉及一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节及其制备方法。
背景技术
自然关节的关节软骨表层滑膜腔中存在着大量从浅表层界面处伸出的游离的蛋白聚糖、蛋白多糖和透明质酸聚集体等刷状物，这种刷状结构水化能力较强，能够吸附关节中滑液形成水合层，有效地改善润滑、减小磨损，使得自然关节具有超润滑功能(J.Klein,Science,2009,323:47-48)。人工关节是替代损伤或病变的关节并且恢复其功能的植入性假体。关节磨损产生的磨屑会导致骨溶解和无菌性松动，导致人工关节失效，严重影响人工关节的质量和使用寿命。
Masayuki Kyomoto等直接在钴-铬-钼合金上接枝2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱，短期内可以降低合金表面摩擦系数降低，但是当摩擦周期较长时摩擦系数明显升高，表面接枝层严重磨损(Masayuki Kyomoto等，Biomaterials，2007，28，3121-3130)。孙彦敏等利用射频等离子体增强化学气相沉积技术在超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面制备DLC膜，结果表明该DLC膜可有效提高UHMWPE的表面硬度，改善表面的润湿性能，但其耐磨性能仍有待提高(孙彦敏等，中国表面工程,2010,23(6):45-50)。
因此，降低人工关节的摩擦系数，增强其耐磨性能，延长其使用寿命，对于增强人工关节的实用性具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供了一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节及其制备方法。该人工关节润滑性能良好，摩擦系数低，能够减少摩擦、磨损和磨屑的产生，增强人工关节的耐磨性能，延长其使用寿命。
本发明的技术方案如下：
一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节，所述的人工关节的基底承载界面修饰有经甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法改性的海藻酸钠交联网络结构，所述的改性的海藻酸钠交联网络结构上接枝有亲水性聚合物单体。
本发明的基底为人工关节领域常用的基底材料，可以是超高分子量聚乙烯(UHMWPE)或聚醚醚酮(PEEK)。
本发明采用的亲水性聚合物单体，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)或具有磷酰胆碱基的单体。
一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法对海藻酸钠进行改性，在0.2～0.5％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中依次加入三乙胺、四丁基溴化铵和甲基丙烯酸缩水甘油酯，海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比为1:10～50，搅拌反应，反应结束后透析并冷冻干燥，得到改性的海藻酸钠；
步骤2，在基底表面接枝改性的海藻酸钠，形成修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构的人工关节；
步骤3，在改性的海藻酸钠交联网络结构上接枝亲水性聚合物单体，所述的改性的海藻酸钠与亲水性聚合物单体的质量比为1:10～40，制得低摩擦高耐磨的人工关节。
步骤1中，海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比优选为1:20。
上述低摩擦高耐磨的仿生人工关节制备方法，步骤2和步骤3中，所述的接枝方法可采用常规方法，包括辐照(紫外光、γ射线、电子束)、臭氧活化或化学处理方法。
本发明的具体实施方式中，步骤2中，采用紫外光辐照的方法进行改性的海藻酸钠的接枝，具体的接枝方法为：将基底置于浓度为1～5g/L的改性的海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
具体地，超高分子量聚乙烯的接枝，需将超高分子量聚乙烯置于浓度为5～20mg/ml的光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1～5min，暗室真空干燥后将涂覆光敏剂的样品浸入改性海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
具体地，聚醚醚酮的接枝，将聚醚醚酮直接浸入改性海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
本发明的具体实施方式中，步骤3中，采用紫外光辐照的方法进行亲水性聚合物单体的接枝，具体的接枝方法为：将修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构的人工关节置于浓度为0.5～1mol/L的亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min。
具体地，超高分子量聚乙烯的接枝，需将超高分子量聚乙烯置于浓度为5～20mg/ml的光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1～5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥后将涂覆光敏剂的样品浸入亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min。
具体地，聚醚醚酮的接枝，将聚醚醚酮块体直接浸入亲水性聚合物单体水溶液中，紫外光辐照10～60min。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的仿生人工关节的表层模拟了天然关节软骨的结构和功能，改性后的海藻酸钠一方面通过碳碳双键连接到基底表面，另一方面通过碳碳双键相互交联形成交联网络结构；亲水性聚合物链吸附润滑液形成水合层，提高了人工关节的耐磨性，亲水性聚合物单体通过化学键接枝键合到改性的海藻酸钠交联网络结构上，二者结合牢固，使交联网络结构上接枝的聚合物单体活性位点更多，接枝效率高。本发明通过构建交联网络结构使关节表面亲水性耐磨层更加稳固，增强接枝层的持久性，提高其耐磨性，减少人工关节的翻修和更换频率，延长人工关节的使用寿命。
附图说明
图1为人工关节承载界面改性的海藻酸钠交联网络的结构示意图。
图2为人工关节承载界面改性的海藻酸钠交联网络结构接枝亲水性聚合物单体后的结构示意图。
图3为实施例1中未处理的超高分子量聚乙烯和改性超高分子量聚乙烯样品表面接触角静态图。
图4为实施例1中只接枝丙烯酸的超高分子量聚乙烯(a)和带有改性海藻酸钠交联网络结构并接枝丙烯酸的超高分子量聚乙烯样品(b)的摩擦系数图。
图5为实施例2中改性超高分子量聚乙烯样品表面接触角静态图。
图6为实施例3中改性超高分子量聚乙烯样品表面接触角静态图。
图7为实施例4中未处理的聚醚醚酮和改性后聚醚醚酮样品的表面接触角静态图。
具体实施方式
本发明的一种低摩擦高耐磨的人工关节的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，采用甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法对海藻酸钠进行改性，在海藻酸钠中引入碳碳双键。
具体方式为：向250ml的海藻酸钠水溶液(0.2～0.5％(wt/v))中加入0.54ml三乙胺，磁力搅拌一小时后加入1.26g四丁基溴化铵，继续磁力搅拌一小时后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯(3.32ml-16.62ml)，使得海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯摩尔比为1:10～50。在磁力搅拌的条件下反应24小时，将产物在去离子水中用截留分子量为3500D的透析袋透析6天，最后冷冻干燥得到改性海藻酸钠样品；
步骤2，在基底表面接枝改性后的海藻酸钠，形成带有改性海藻酸钠交联网络结构的人工关节。
具体方式为：将超分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(5-20mg/ml)中，避光静置1～5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入浓度为1～5g/L的改性海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min；或将聚醚醚酮块体直接浸入浓度为1～5g/L的改性海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
步骤3，在交联网络结构上接枝亲水性聚合物单体，制备低摩擦高耐磨的人工关节。
具体方式为：将表层具有交联网络结构的超分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(5-20mg/ml)中，避光静置1～5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入浓度为0.5～1mol/L的亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min；或将表层具有交联网络结构的聚醚醚酮块体材料直接浸入浓度为0.5～1mol/L的亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min。控制改性的海藻酸钠与亲水性聚合物单体的质量比为1:10～40。
图1为人工关节承载界面交联网络结构的示意图，从图中可以看出，改性后的海藻酸钠一方面通过碳碳双键连接到基底表面，另一方面通过碳碳双键相互交联形成交联网络结构。图2为人工关节承载界面交联网络结构接枝聚合物单体后的结构示意图，从图中可以看出，水性聚合物单体通过化学键接枝键合到改性的海藻酸钠交联网络结构上，形成结合牢固的亲水性耐磨层。
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
向0.2％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中加入0.54ml三乙胺，磁力搅拌一小时后加入1.26g四丁基溴化铵，继续磁力搅拌一小时后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯3.32ml，使得海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯摩尔比为1:10。在磁力搅拌的条件下反应24小时，将产物在去离子水中用截留分子量为3500D的透析袋透析6天，最后冷冻干燥得到改性海藻酸钠样品。配制1g/L改性海藻酸钠的水溶液，将超高分子量聚乙烯块体材料(UHMWPE)置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(5mg/ml)中，避光静置1min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入上述改性海藻酸钠的水溶液中，紫外光辐照30min。将表层具有改性海藻酸钠交联网络结构的超高分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(5mg/ml)中，避光静置1min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入0.5mol/L的丙烯酸(AA)的水溶液中，紫外光辐照30min。使得改性海藻酸钠和丙烯酸质量比为1:40。
图3为实施例1中未处理的UHMWPE和改性UHMWPE样品表面接触角静态图。未处理的UHMWPE(a)接触角为97.5°，改性UHMWPE样品(b)接触角为69.4°，表面润湿得到改善。
对磨材料为Si3N4，载荷为0.98N时，测得未处理的UHMWPE摩擦系数平均值为0.056，改性后UHMWPE摩擦系数降低至0.034。说明样品表面摩擦性能提高。
图4为实施例1中只接枝AA的UHMWPE(a)和带有改性海藻酸钠交联网络结构并接枝AA的UHMWPE样品(b)的摩擦系数图。接枝改性海藻酸钠和AA的样品表面的摩擦系数明显低于只接枝AA的样品，且摩擦曲线的变化趋势更加稳定。说明构建改性海藻酸钠交联网络结构提高样品表面耐磨性。
实施例2
向0.3％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中加入0.54ml三乙胺，磁力搅拌一小时后加入1.26g四丁基溴化铵，继续磁力搅拌一小时后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯9.97ml，使得海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯摩尔比为1:20。在磁力搅拌的条件下反应24小时，将产物在去离子水中用截留分子量为3500D的透析袋透析6天，最后冷冻干燥得到改性海藻酸钠样品。配制3g/L改性海藻酸钠的水溶液，将超高分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(10mg/ml)中，避光静置3min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入上述改性海藻酸钠的水溶液中，紫外光辐照10min。将表层具有改性海藻酸钠交联网络结构的超高分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(10mg/ml)中，避光静置3min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入0.5mol/L的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(MPC)的水溶液中，紫外光辐照10min。使得改性海藻酸钠和MPC质量比为1:40。
图5为实施例2条件下，改性UHMWPE样品表面接触角静态图。改性后UHMWPE表面接触角降低至35°，表面润湿性能改善。
对磨材料为Si3N4，载荷为0.98N时，测得改性UHMWPE摩擦系数降低至0.025，样品表面摩擦性能提高。
实施例3
向0.5％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中加入0.54ml三乙胺，磁力搅拌一小时后加入1.26g四丁基溴化铵，继续磁力搅拌一小时后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯41.55ml，使得海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯摩尔比为1:50。在磁力搅拌的条件下反应24小时，将产物在去离子水中用截留分子量为3500D的透析袋透析6天，最后冷冻干燥得到改性海藻酸钠样品。配制5g/L的改性海藻酸钠的水溶液，将超高分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(20mg/ml)中，避光静置5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入上述改性海藻酸钠的水溶液中，紫外光辐照60min。将表层具有改性海藻酸钠交联网络结构的超高分子量聚乙烯块体材料置于光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液(20mg/ml)中，避光静置5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥1h；将涂覆光敏剂的样品浸入1mol/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)的水溶液中，紫外光辐照60min。使得改性海藻酸钠和MPDSAH质量比为1:40。
图6为实施例3条件下，改性UHMWPE样品表面接触角静态图。改性后UHMWPE表面接触角降低至46.4°，样品表面摩擦性能提高。
对磨材料为Si3N4，载荷为0.98N时，测得改性UHMWPE摩擦系数降低至0.038，样品表面摩擦性能提高。
实施例4
向0.3％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中加入0.54ml三乙胺，磁力搅拌一小时后加入1.26g四丁基溴化铵，继续磁力搅拌一小时后加入甲基丙烯酸缩水甘油酯9.97ml，使得海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯摩尔比为1:20。配制1g/L的改性海藻酸钠的水溶液，将聚醚醚酮块体材料浸入上述改性海藻酸钠的水溶液中，紫外光辐照30min。将表层具有改性海藻酸钠交联网络结构的聚醚醚酮块体材料浸入0.5mol/L的丙烯酸(AA)的水溶液中，紫外光辐照30min。使得改性海藻酸钠和AA质量比为1:10。
图7为实施例4条件下，未处理的PEEK和改性后PEEK样品表面接触角静态图。未处理的PEEK表面接触角为93°，改性后PEEK表面接触角降低至14.2°，样品表面润湿性能提高。
对磨材料为Si3N4，载荷为0.98N时，测得未处理的PEEK摩擦系数平均值为0.077，改性后PEEK摩擦系数降低至0.046，样品表面摩擦性能提高。
Claims (9)
1.一种低摩擦高耐磨的仿生人工关节，其特征在于，所述的人工关节的基底承载界面修饰有经甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法改性的海藻酸钠交联网络结构，所述的改性的海藻酸钠交联网络结构上接枝有亲水性聚合物单体。
2.根据权利要求1所述的低摩擦高耐磨的仿生人工关节，其特征在于，所述的基底为超高分子量聚乙烯或聚醚醚酮，所述的亲水性聚合物单体为丙烯酸、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、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱或具有磷酰胆碱基的单体。
3.根据权利要求1或2所述的低摩擦高耐磨的仿生人工关节的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采用甲基丙烯酸缩水甘油酯反应法对海藻酸钠进行改性，在0.2～0.5％(wt/v)的海藻酸钠水溶液中依次加入三乙胺、四丁基溴化铵和甲基丙烯酸缩水甘油酯，所述的海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比为1:10～50，搅拌反应，反应结束后透析并冷冻干燥，得到改性的海藻酸钠；
步骤2，在基底表面接枝改性的海藻酸钠，形成修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构的人工关节；
步骤3，在改性的海藻酸钠交联网络结构上接枝亲水性聚合物单体，所述的改性的海藻酸钠与亲水性聚合物单体的质量比为1:10～40，制得低摩擦高耐磨的人工关节。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的海藻酸钠与甲基丙烯酸缩水甘油酯的摩尔比为1:20。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2和步骤3中，所述的接枝方法为紫外光辐照、γ射线辐照、电子束辐照、臭氧活化或化学处理方法。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用紫外光辐照的方法进行改性的海藻酸钠的接枝，具体的接枝方法为：将基底置于浓度为1～5g/L的改性的海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，采用紫外光辐照的方法在超高分子量聚乙烯基底表面接枝改性的海藻酸钠，具体的接枝方法为：将超高分子量聚乙烯置于浓度为5～20mg/ml的光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1～5min，暗室真空干燥后将涂覆光敏剂的样品浸入改性海藻酸钠水溶液中，紫外光辐照10～60min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，采用紫外光辐照的方法进行亲水性聚合物单体的接枝，具体的接枝方法为：将修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构的人工关节置于浓度为0.5～1mol/L的亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，采用紫外光辐照的方法在修饰有改性的海藻酸钠交联网络结构的超高分子量聚乙烯基底表面接枝亲水性聚合物单体，具体的接枝方法为：将超高分子量聚乙烯置于浓度为5～20mg/ml的光敏剂二苯甲酮的丙酮溶液中，避光静置1～5min，使其表面涂覆光敏剂，暗室真空干燥后将涂覆光敏剂的样品浸入亲水性聚合物单体的水溶液中，紫外光辐照10～60min。
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107595445A (zh) * | 2017-09-13 | 2018-01-19 | 北京安颂科技有限公司 | 一种低磨损的膝关节股骨髁假体 |
| CN108744040A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-11-06 | 西南交通大学 | 一种在体内环境中具有磨损自修复功能的高分子生物材料制备方法 |
| CN109481739A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-03-19 | 四川大学华西医院 | 一种骨关节润滑剂及其制备方法 |
| CN111825805A (zh) * | 2019-04-17 | 2020-10-27 | 南京理工大学 | 仿生边界润滑剂及其制备方法 |
| CN114349996A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-04-15 | 广东省科学院健康医学研究所 | 超滑材料及其制备方法和应用 |
| CN115403814A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-29 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种具有长效润滑仿关节软骨涂层的超高分子量聚乙烯及其制备方法和应用 |
| CN115779159A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-14 | 中山大学 | 一种接枝于医疗器械表面的高强韧耐磨亲水润滑涂层及其制备方法 |
| CN115845135A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-28 | 中山大学 | 一种类关节软骨抗污损耐磨润滑涂层及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102078227A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-06-01 | 南京理工大学 | 改善生物相容性与摩擦学性能的聚乙烯人工关节及其制备方法 |
| CN103007353A (zh) * | 2012-12-24 | 2013-04-03 | 南京理工大学 | 一种人工关节用超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 |
| CN103212110A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-07-24 | 南京理工大学 | 一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法 |
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- 2016-05-24 CN CN201610348870.7A patent/CN105879116B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102078227A (zh) * | 2010-11-24 | 2011-06-01 | 南京理工大学 | 改善生物相容性与摩擦学性能的聚乙烯人工关节及其制备方法 |
| CN103007353A (zh) * | 2012-12-24 | 2013-04-03 | 南京理工大学 | 一种人工关节用超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法 |
| CN103212110A (zh) * | 2013-04-25 | 2013-07-24 | 南京理工大学 | 一种超高分子量聚乙烯人工关节承载部件及制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HIDEAKI ICHIURA: "Alginate film prepared on polyethylene nonwoven sheet and its function for ellagic acid release in response to sodium ions", 《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》 * |
| MASAYUKI KYOMOTO: "Self-initiated surface grafting with poly(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine) on poly(ether-ether-ketone)", 《BIOMATERIALS》 * |
| YALING DENG: "The mechanical properties of the ultra high molecular weight polyethylene grafted with 3-dimethy (3-(N-methacryamido) propyl) ammonium propane sulfonate", 《JOURNAL OF THE MECHANICAL BEHAVIOR OF BIOMEDICAL MATERIALS》 * |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107595445A (zh) * | 2017-09-13 | 2018-01-19 | 北京安颂科技有限公司 | 一种低磨损的膝关节股骨髁假体 |
| CN108744040B (zh) * | 2018-06-28 | 2021-03-16 | 西南交通大学 | 一种在体内环境中具有磨损自修复功能的高分子生物材料制备方法 |
| CN108744040A (zh) * | 2018-06-28 | 2018-11-06 | 西南交通大学 | 一种在体内环境中具有磨损自修复功能的高分子生物材料制备方法 |
| CN109481739A (zh) * | 2018-12-12 | 2019-03-19 | 四川大学华西医院 | 一种骨关节润滑剂及其制备方法 |
| CN111825805B (zh) * | 2019-04-17 | 2022-10-28 | 南京理工大学 | 仿生边界润滑剂及其制备方法 |
| CN111825805A (zh) * | 2019-04-17 | 2020-10-27 | 南京理工大学 | 仿生边界润滑剂及其制备方法 |
| CN114349996A (zh) * | 2021-12-03 | 2022-04-15 | 广东省科学院健康医学研究所 | 超滑材料及其制备方法和应用 |
| CN115403814A (zh) * | 2022-09-02 | 2022-11-29 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种具有长效润滑仿关节软骨涂层的超高分子量聚乙烯及其制备方法和应用 |
| CN115403814B (zh) * | 2022-09-02 | 2023-10-10 | 中山大学附属第八医院（深圳福田） | 一种具有长效润滑仿关节软骨涂层的超高分子量聚乙烯及其制备方法和应用 |
| CN115779159A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-14 | 中山大学 | 一种接枝于医疗器械表面的高强韧耐磨亲水润滑涂层及其制备方法 |
| CN115845135A (zh) * | 2022-12-01 | 2023-03-28 | 中山大学 | 一种类关节软骨抗污损耐磨润滑涂层及其制备方法 |
| CN115779159B (zh) * | 2022-12-01 | 2024-01-16 | 中山大学 | 一种接枝于医疗器械表面的高强韧耐磨亲水润滑涂层及其制备方法 |
| CN115845135B (zh) * | 2022-12-01 | 2024-02-23 | 中山大学 | 一种类关节软骨抗污损耐磨润滑涂层及其制备方法 |
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