CN110652382A - 关节假体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种关节假体，所述关节假体包括第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间，则可以有效提高所述关节假体中直接接触的表面间的摩擦性能，即能够降低所述第一结构和所述第二结构在往复式摩擦运动中的摩擦系数，减少直接接触的表面间的磨损，从而延长关节假体的使用寿命。

Description

关节假体
技术领域
本发明涉及医疗器材技术领域，特别涉及一种关节假体。
背景技术
当今，在人们的各种运动过程中，关节损伤或病痛现象越来越严重，特别是膝关节，关节一旦损伤或病痛，关节运动功能将受到影响。随着医学的发展，关节假体的需求量越来越大，而关节假体的使用寿命是医生和患者都很关心的问题。
因关节假体需要取代关节的功能，关节假体中具有可往复式摩擦运动的接触结构，而随着使用时间的延长，接触结构中的接触表面之间的大量摩擦会产生磨损，降低关节假体的使用寿命。因此，有必要提供一种改进的关节假体，降低关节假体中接触表面的摩擦系数，以延长关节假体的使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种关节假体，以延长关节假体的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供的关节假体，包括：第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。
进一步的，所述关节假体还包括第三结构，所述第三结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第三结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。
较佳的，在所述的关节假体中，所述织构的形貌为凹坑或凸起。
进一步的，在所述的关节假体中，所述织构为呈阵列分布的椭圆形的凹坑，且所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行。
进一步的，在所述的关节假体中，所述椭圆形的凹坑所占的面积与所述具有织构的表面的总面积之比在15％～20％之间。
进一步的，在所述的关节假体中，所述椭圆形的凹坑的深度在5μm～15μm之间。
进一步的，在所述的关节假体中，所述椭圆形的凹坑的深度在8μm～15μm之间。
进一步的，在所述的关节假体中，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～8之间。
进一步的，在所述的关节假体中，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～6之间。
进一步的，在所述的关节假体中，所述第一结构为股骨髁，所述股骨髁包括第一关节面；所述第二结构为胫骨垫，所述胫骨垫包括第二关节面、胫骨垫背面和位于所述胫骨垫背面的凹槽，所述第二关节面和所述第一关节面直接接触；所述第三结构为胫骨托，所述胫骨托包括支柱和支撑盘，所述支柱与所述凹槽直接接触，所述支撑盘和所述胫骨垫背面直接接触。
进一步的，在所述的关节假体中，所述第二关节面的表面、所述支柱的表面和所述支撑盘的表面为具有织构的表面。
较佳的，在所述的关节假体中，所述织构为椭圆形的凹坑阵列，且所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的关节假体包括第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。因所述关节假体中设计有具有织构的接触表面，且所述织构的面积率在10％～20％之间，则可以有效提高所述关节假体中直接接触的表面间的摩擦性能，即能够降低所述第一结构和所述第二结构在往复式摩擦运动中的摩擦系数，减少直接接触的表面间的磨损，从而延长关节假体的使用寿命。
进一步的，所述织构为呈阵列分布的椭圆形的凹坑，且所述椭圆形的凹坑所占的面积与所述具有织构的表面的总面积之比在15％～20％之间，所述椭圆形的凹坑的深度在8μm～15μm之间，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～8之间，同时，所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行时，具有该织构的接触表面的摩擦系数相对更低，摩擦性能更佳，更加有利于延长关节假体的使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种所述膝关节假体的结构示意图；
图2为本发明一种所述膝关节假体的股骨髁的结构示意图；
图3a和图3b分别为本发明一种所述膝关节假体的胫骨垫的正面和背面的结构示意图；
图4为本发明一种所述膝关节假体的胫骨托的结构示意图；
图5为本发明实施例中通过模拟试验得出的不同形状的凹坑表面对应的往复式摩擦运动的速度与其摩擦系数的关系图；
图6为本发明实施例中所述胫骨垫正面具有织构表面的关节盂面的局部放大俯视结构示意图；
图7为本发明实施例中股骨髁的第一关节面与胫骨垫正面的接触面的局部放大剖面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的关节假体及其制作方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以在不脱离本发明构思的前提下修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面的说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的而并不意图限制本发明的保护范围，在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部分。本发明的各层的上下关系包含直接接触或非直接接触时的上下对应关系。
本发明的核心思想在于，本发明提供一种关节假体，包括：第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。
本发明因提供的关节假体中设计有具有织构的接触表面，且所述织构的面积率在10％～20％之间，可以有效提高所述关节假体中直接接触的表面间的摩擦性能，即能够降低所述第一结构和所述第二结构在往复式摩擦运动中的摩擦系数，减少直接接触的表面间的磨损，从而延长关节假体的使用寿命。
以下以膝关节假体为例，以清楚说明本发明的内容，应当明确的是，本发明的内容并不限制于以下实施例，其他通过本领域普通技术人员的常规技术手段的改进亦在本发明的思想范围之内。
首先，请参阅图1至图4，所述膝关节假体主要包括以下三个部分：分别为第一结构，所述第一结构为股骨髁1；第二结构，所述第二结构为胫骨垫2；第三结构，所述第三结构为胫骨托3，如图1所示。具体的，所述股骨髁1包括内侧髁11、外侧髁12、由内侧髁11和外侧髁12共同限定出的第一关节面13、股骨滑车14、髁间盒子15、稳定立柱16、髁内结合内面17以及把持槽口18，如图2所示，其中所述第一关节面13与胫骨垫2直接相接触；所述胫骨垫2的正面为第一关节盂面21和第二关节盂面22构成的第二关节面25，如图3a所示，所述第二关节面25与所述第一关节面13直接接触且可往复式摩擦运动，所述胫骨垫2的背面为胫骨垫背面24以及设置于所述胫骨垫背面的凹槽23，如图3b所示；所述胫骨托3包括支柱31、支撑盘32和固定结构，所述固定结构包括固定龙骨33和若干加强肋34。如图4所示，其中所述胫骨垫的凹槽23与所述支柱31直接接触且可往复式摩擦运动，所述胫骨垫背面24与所述支撑盘32直接接触且可往复式摩擦运动。
通常，所述胫骨垫2的材质为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，所述股骨髁1和所述胫骨托3的材质为医用金属材料，如为金属Co、Cr、Mo或Ti中的一种或多种合金金属。因在超高分子量聚乙烯的胫骨垫2与医用金属材料的股骨髁1之间的配合中，胫骨垫2需要承受很高的应力，并且随着股骨髁1前后滚动(往复式摩擦运动)，胫骨垫2和股骨髁1之间存在大量的摩擦；在胫骨垫2与胫骨托3的配合之中，因结合方式和胫骨托3平台表面处理方式，胫骨垫背面24也容易出现磨损。而通过表面工程与摩擦学领域的研究表明，表面织构技术(特别是表面微织构技术)能够显著提高接触表面的摩擦学性能，在表面工程与摩擦学领域中表面织构(Surface Texture)是指固体表面具有一定规则的三维形貌，即将接触表面通过表面织构技术形成具有织构的表面能够提高接触表面的摩擦学性能。
于是，发明人研究发现，当关节直接接触表面的织构的形貌为凹坑时，这些凹坑可以通过储存膝盖软组织之间的润滑液，使摩擦表面形成润滑膜，从而起到改善摩擦表面接触方式和润滑状态的作用，减小摩擦之间的摩擦磨损。除此之外，当润滑液充足时，凹坑的织构还可以作为微型动力润滑轴承，增强流体动压效应，提高部件承载能力；在缺乏润滑液的情况下，凹坑的织构可以捕捉微小磨损颗粒，从而减少表面磨损率，并且凹坑织构还可以减小接触表面的接触面积，降低粘着效应。需要指出的是，具有凹坑的表面形貌从另一方面也可以理解为所述织构的形貌为凸起，即，以凹坑的最低点为基准线的话，凹坑之间的部分为凸起。
进一步的，本发明的发明人们潜心研究发现，通过改变微织构的形状、尺寸、面积率、深度及排布方式等几何形貌参数可以有效的降低摩擦系数。本发明的发明人们针对股骨髁、胫骨垫和胫骨托的特有的接触方式和运动方式进行深入研究。
膝关节由胫股关节(内侧胫股关节面、外侧胫股关节面)和髌骨关节组成的双关节结构。外侧胫股关节面的前1/3为一逐渐上升的凹面，而后2/3则呈逐渐下降的凹面。内侧胫股关节面则呈一种碗形的凹陷。胫骨垫模拟了这种形状，如此可与股骨髁彼此吻合，使置换后的关节可作屈伸活动。膝关节伸直位时，胫骨垫与股骨髁完全匹配，润滑液被挤压出去，胫骨垫面用织构设计可保持膝关节稳定性，另外，在胫骨托表面加工微织构可提高其承载能力。屈曲位匹配度降低，允许胫-股间滑动，胫骨垫表面的微织构释放组织液，提高润滑性能。膝关节做屈伸活动时，胫骨垫和股骨髁接触面往复运动，因此在接触表面加工出微凹坑织构，可有效提高其摩擦性能，减少磨损。膝关节需承受人体大部分的重量，因此替换的胫骨托需要良好的承载能力，并且股骨髁和胫骨垫在模拟膝关节运动时，往复性运动是最频繁的。
针对这些要求，发明人通过设计不同形状的凹坑的实验对比，得出当所述凹坑的形状为椭圆形时，且所述椭圆形的长径的方向与往复式摩擦运动的运动方向平行时，其摩擦系数相对较低，摩擦性能相对较佳。具体的，在不锈钢试样块表面上加工不同形状的微凹坑，设计的对比实验项以及具体参数如表1所示(表1为不同形状的凹坑的对比实验项以及具体参数，其中，图中朝右箭头表示往复式摩擦运动的运动方向v)，通过设计单凹坑面积、凹坑的深度(深度是指从凹坑的开口所在平面到其最低点的垂直距离)和凹坑的面积率(所有凹坑所占的面积与具有织构的表面的总面积之比为凹坑的面积率，相应的，织构的面积率是在具有织构的表面上，织构所占的面积与具有织构的表面的总面积之比)相同，不同形状(如圆形、正方形和椭圆形)的凹坑的试样表面，相应的，不同形状的凹坑尺寸也不同，如圆形的凹坑尺寸对应为凹坑的直径，方形的凹坑尺寸对应为凹坑的边长，椭圆形的凹坑尺寸对应为椭圆形的长径/短径(也称长短径比)。
表1
Figure BDA0001712616330000061
然后，将上述3个试样表面分别进行模拟关节假体的往复式摩擦运动的实验，实验中试验机载荷为100牛顿，往复式摩擦运动的速度从200次/分钟到700次/分钟逐渐增大，并在实验过程中不断添加适量润滑剂，模拟股骨髁、胫骨垫和胫骨托之间的运动环境。得到的摩擦系数如图5所示，图5为不同形状的凹坑表面对应的往复式摩擦运动的速度与其摩擦系数的关系图。从图5中明显可以看出，在所述凹坑的面积率、深度以及往复式摩擦运动的速度一致的情况时，椭圆形的凹坑的摩擦系数明显小于其他两种凹坑的摩擦系数，其次是正方形的凹坑，最后是圆形的凹坑。
在得到上述研究结果的基础上，发明人进一步深入研究了不同因素下的椭圆形的凹坑的关节表面对其摩擦系数的影响，如研究了的不同面积率A、深度B和长短径比C对其摩擦系数的影响。具体，如图6和图7所示，图6为所述胫骨垫正面具有织构表面的关节盂面(第二关节面25)的局部放大俯视结构示意图，图7为股骨髁的第一关节面与胫骨垫正面的接触面的局部放大剖面结构示意图。所述第二关节面25表面具有椭圆形凹坑250构成的织构，则所述椭圆形凹坑250的长短径比C等于L/d，所述椭圆形凹坑250的深度B等于h。为了能够准确的研究出较优的参数范围，发明人设计了三大组对比试验，其中每组试验设计了7个试验号，具体对比项的参数值分别如表2、表3和表4所示，其中，表2为在相同深度B(10μm)和长短径比C(4)，不同面积率A(2％～30％)下的椭圆形凹坑250表面的摩擦系数情况；表3为在相同面积率A(20％)和长短径比C(4)，不同深度B(2μm～30μm)下的椭圆形凹坑250表面的摩擦系数情况；表4为在相同面积率A(20％)和深度B(10μm)，不同长短径比C(1～10)下的椭圆形凹坑250表面的摩擦系数情况。
表2
Figure BDA0001712616330000071
Figure BDA0001712616330000081
表3
Figure BDA0001712616330000082
表4
Figure BDA0001712616330000083
然后，对上述表中的每个试验号在往复式摩擦磨损试验机上进行模拟实验，模拟股骨髁与胫骨垫之间的运动方式，测定出具有不同的凹坑织构的表面的摩擦系数，如上表2、表3和表4所示。实验中所述往复式摩擦运动的运动速度为固定值，如500次/分钟，试验机载荷为100牛顿，同时，在实验过程中不断添加适量润滑剂，模拟如股骨髁1、胫骨垫2和胫骨托3之间的运动环境。从上述的摩擦系数结果可见，所述椭圆形凹坑的面积率A优选为10％～20％(其摩擦系数小于0.09)，更优选为15％～20％(其摩擦系数小于0.07)；所述椭圆形凹坑的深度B优选为5μm～15μm(其摩擦系数小于0.13)，更优选为8μm～15μm(其摩擦系数约小于0.10)；所述椭圆形凹坑的长短径比C优选为2～8(其摩擦系数约小于0.10)，更优选为2～6(其摩擦系数约小于0.08)。因此，所述椭圆形凹坑的几何参数在上述范围内时，其摩擦系数相对较低，摩擦性能也较优。
更进一步的，为了考虑所述椭圆形凹坑250各因素之间交互作用对其摩擦系数的影响，发明人进行了更加深入的研究。利用四因素三水平正交试验去探讨不同的面积率A、深度B和长短径比C对其摩擦系数的影响，则四因素三水平的因素水平表如表5所示，然后在上述相同的试验条件下(即往复式摩擦运动的速度为500次/分钟，试验机载荷为100牛顿，同时在摩擦面之间不断添加润滑剂)进行了试验，测定的具有不同的椭圆形凹坑织构的表面的摩擦系数如表6所示。需要说明的是，设计中采用了四因素，增设了一空白列，本领域技术人员可以理解的，是为了提高试验的准确性、可靠性，考虑试验中的不确定因素(或者偶然性)对三因素的交互影响。
表5
Figure BDA0001712616330000091
表6
Figure BDA0001712616330000092
Figure BDA0001712616330000101
其中，表6中k1、k2、k3是指每个因素各水平的指标平均值，每个因素的相应的最佳水平也可以由此得出。本试验中是将对应的摩擦系数作为试验指标，这就意味着k越小代表表面的摩擦性能就越佳。面积率A因素三个水平中k值最小是k3＝0.075(即优水平中的A3)，深度B因素三个水平中k值最小是k2＝0.075(即优水平中的B2)，长短径比C因素三个水平中k值最小是k2＝0.083(即优水平中的C2)。通过分析以上每个因素的指标平均值可得出的结论是：在上述设计的正交试验中，在设定的试验条件下，最佳的理论组合(优组合)为A3B2C2，即所述椭圆形凹坑的面积率A为20％，深度B为10μm，长短径比C为4时，接触表面的摩擦学性能最优。此外，得到的最佳理论组合也同时通过上述表2、表3和表4得到了验证。
此外，通过上述正交试验，还可以计算出极差值R，极差值R对应着试验因素对试验结果指标的影响程度，按照极差值R的大小进行排序可以将每个因素对摩擦性能的影响重要程度进行排序。则在上述试验中，极差值R越大，说明该因素对表面摩擦性能影响越强，反之，则影响微弱。因此，由表6分析可知，对摩擦性能影响最大的是面积率A，其次是深度B，而长短径比C的影响最小(即主次顺序面积率A>深度B>长短径比C)。
较佳的，本实施例中，可通过化学刻蚀或者激光技术在胫骨垫2正面的第一关节盂面21和第二关节盂面22构成的第二关节面25上形成具有所述椭圆形凹坑250的表面，如可通过改变激光器(如YG激光器)的泵浦电流和激光重复次数在上述表面制作所需的所述椭圆形凹坑250，采用激光技术加工不仅加工简单，耗时短，污染小，而且加工对象范围广，对金属表面和高分子材料表面均可以加工，加工得到的织构的尺寸和形貌都能够达到较高的精度要求，其摩擦学性能更加优越。此外，所述椭圆形凹坑250可以均匀分布在任意直接接触的表面上，也可以呈不均匀分布，如所述椭圆形凹坑250可以呈阵列分布。
显然，在其他实施例中，所述膝关节假体还可以将所述第一关节面13、所述胫骨垫背面24和凹槽23或胫骨托3的支柱31和支撑盘32的任意表面设计为具有织构的表面，且所述织构的面积率在10％～20％之间，即在所述膝关节假体中的接触表面中保证至少有一面为具有织构的表面即可达到减少摩擦系数，延长膝关节假体使用寿命的目的。
此外，本实施例仅以膝关节假体为例，而在其他实施例中，所述关节假体可以但不限于为髋关节假体、肩关节假体、肘关节假体、踝关节假体等等，在此不一一介绍。
本发明提供的关节假体包括第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。因所述关节假体中设计有具有织构的接触表面，且所述织构的面积率在10％～20％之间，则可以有效提高所述关节假体中直接接触的表面间的摩擦性能，即能够降低所述第一结构和所述第二结构在往复式摩擦运动中的摩擦系数，减少直接接触的表面间的磨损，从而延长关节假体的使用寿命。
进一步的，所述织构为呈阵列分布的椭圆形的凹坑，且所述椭圆形的凹坑所占的面积与所述具有织构的表面的总面积之比在15％～20％之间，所述椭圆形的凹坑的深度在8μm～15μm之间，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～8之间，同时，所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行时，具有该织构的接触表面的摩擦系数相对更低，摩擦性能更佳，更加有利于延长关节假体的使用寿命。
显然，在上述实施例中仅为本发明的较佳实施例而已，因此，上述实施例并不用以限制本发明。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种关节假体，其特征在于，包括：第一结构和第二结构，所述第一结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第一结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。
2.如权利要求1所述的关节假体，其特征在于，所述关节假体还包括第三结构，所述第三结构和所述第二结构直接接触且可往复式摩擦运动，在所述第三结构和所述第二结构直接接触的表面中至少有一面为具有织构的表面，且至少一个具有织构的表面中，织构的面积率在10％～20％之间。
3.如权利要求1或2中所述的关节假体，其特征在于，所述织构的形貌为凹坑或凸起。
4.如权利要求3所述的关节假体，其特征在于，所述织构为呈阵列分布的椭圆形的凹坑，且所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行。
5.如权利要求4所述的关节假体，其特征在于，所述椭圆形的凹坑所占的面积与所述具有织构的表面的总面积之比在15％～20％之间。
6.如权利要求4所述的关节假体，其特征在于，所述椭圆形的凹坑的深度在5μm～15μm之间。
7.如权利要求6所述的关节假体，其特征在于，所述椭圆形的凹坑的深度在8μm～15μm之间。
8.如权利要求4所述的关节假体，其特征在于，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～8之间。
9.如权利要求8所述的关节假体，其特征在于，所述椭圆形的凹坑的长短径比在2～6之间。
10.如权利要求2所述的关节假体，其特征在于，所述第一结构为股骨髁，所述股骨髁包括第一关节面；所述第二结构为胫骨垫，所述胫骨垫包括第二关节面、胫骨垫背面和位于所述胫骨垫背面的凹槽，所述第二关节面和所述第一关节面直接接触；所述第三结构为胫骨托，所述胫骨托包括支柱和支撑盘，所述支柱与所述凹槽直接接触，所述支撑盘和所述胫骨垫背面直接接触。
11.如权利要求10所述的关节假体，其特征在于，所述第二关节面的表面、所述支柱的表面和所述支撑盘的表面为具有织构的表面。
12.如权利要求11所述的关节假体，其特征在于，所述织构为椭圆形的凹坑阵列，且所述椭圆形的长径的方向与所述往复式摩擦运动的运动方向平行。
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