CN116919667A - 一种带微织构的髋关节假体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带微织构的髋关节假体系统，涉及骨科人工关节设计制造技术领域。带微织构的髋关节假体系统包括髋臼杯、内衬和股骨头；内衬设置于髋臼杯内，股骨头与内衬转动配合；其中，内衬朝向股骨头的一侧和/或股骨头朝向内衬的一侧设置有微织构层。微织构层既能够增强内衬和/或股骨头的润湿性能，促进关节液在内衬和/或股骨头表面铺展，又能够存留关节液，从而增强关节液的润滑支撑能力，降低内衬与股骨头之间的磨损。此外，微织构层还能够储存磨屑，有效防止磨屑对内衬和股骨头表面的进一步损伤。因此，上述带微织构的髋关节假体系统相较于传统的人工关节具有更好的机械磨损性能，具有更长的磨损寿命。

Description

一种带微织构的髋关节假体系统

技术领域

本发明涉及骨科人工关节设计制造技术领域，尤其涉及一种带微织构的髋关节假体系统。

背景技术

随着关节疾病的增多以及人们对健康要求的提高，关节置换的数量急剧增加。关节假体置换是一种手术治疗方法，主要目的是恢复关节功能，缓解疼痛，提高患者的生活质量。尽管关节置换手术过程及技术已经实现临床标准化，但是关节置换后的各种并发症时有发生，往往导致手术失败，并需要进行手术翻修。

从人工关节植入到因磨损导致人工关节机械学功能丧失的使用周期界定为人工关节的机械学磨损寿命，而摩擦副材料的机械磨损性能是决定人工关节磨损寿命的核心要素。

目前，人工关节置换术所面临的重要问题是机械磨损性能不足，使用过程中产生的磨屑散布到周围组织，进而引发骨溶解现象，造成人工关节松动。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种带微织构的髋关节假体系统。

本发明提供如下技术方案：

一种带微织构的髋关节假体系统，包括髋臼杯、内衬和股骨头；

所述内衬设置于所述髋臼杯内，所述股骨头与所述内衬转动配合；

其中，所述内衬朝向所述股骨头的一侧和/或所述股骨头朝向所述内衬的一侧设置有微织构层。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述内衬和所述股骨头为金属材质，且所述内衬或所述股骨头在加工形成所述微织构层之后经过氧化或氮化处理，以形成陶瓷界面。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述内衬和所述股骨头的材质相同，所述内衬和所述股骨头当中的一个经过氧化处理，以形成氧化物陶瓷界面，所述内衬和所述股骨头当中的另一个经过氮化处理，以形成氮化物陶瓷界面。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述内衬和所述股骨头在锻压成型之后经过激光加工，以形成所述微织构层。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述内衬和所述股骨头为锆铌合金材质。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，对所述内衬或所述股骨头进行氧化处理时，将所述内衬或所述股骨头放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为5％-45％的常压惰性气体，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-700℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，对所述内衬或所述股骨头进行氮化处理时，将所述内衬或所述股骨头放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为20％-40％的常压氮气，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-900℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述内衬朝向所述股骨头的一侧设置有圆弧形的第一微织构层。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述股骨头朝向所述内衬的一侧设置有蜂窝状的第二微织构层。

作为对所述带微织构的髋关节假体系统的进一步可选的方案，所述第二微织构层包括至少两种蜂窝状微织构，且不同的所述蜂窝状微织构具有不同的深度。

本发明的实施例具有如下有益效果：

在上述带微织构的髋关节假体系统中，设置在内衬和/或股骨头表面的微织构层既能够增强内衬和/或股骨头的润湿性能，促进关节液在内衬和/或股骨头表面铺展，又能够存留关节液，从而增强关节液的润滑支撑能力，降低内衬与股骨头之间的磨损。此外，微织构层还能够储存磨屑，有效防止磨屑对内衬和股骨头表面的进一步损伤。因此，上述带微织构的髋关节假体系统相较于传统的人工关节具有更好的机械磨损性能，具有更长的磨损寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统的整体结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统中内衬的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统中第一微织构层的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统中股骨头的结构示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统中第二微织构层的结构示意图；

图6示出了本发明实施例提供的一种带微织构的髋关节假体系统中微织构层在氧化或者氮化处理后的放大示意图。

主要元件符号说明：

100-髋臼杯；200-内衬；210-安装部；300-股骨头；400-股骨柄；500-微织构层；510-第一微织构层；520-第二微织构层。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供一种带微织构的髋关节假体系统，包括髋臼杯100、内衬200和股骨头300。内衬200设置在所述髋臼杯100内，股骨头300则与内衬200转动配合。

其中，内衬200朝向股骨头300的一侧和/或所述股骨头300朝向内衬200的一侧设置有微织构层500，即按一定的规律排列的微凹或微凸形状表面。

在上述带微织构的髋关节假体系统中，设置在内衬200和/或股骨头300表面的微织构层500既能够增强内衬200和/或股骨头300的润湿性能，促进关节液在内衬200和/或股骨头300表面铺展，又能够存留关节液，从而增强关节液的润滑支撑能力，降低内衬200与股骨头300之间的磨损。此外，微织构层500还能够储存磨屑，有效防止磨屑对内衬200和股骨头300表面的进一步损伤。因此，上述带微织构的髋关节假体系统相较于传统的人工关节具有更好的机械磨损性能，具有更长的磨损寿命。

实施例2

请参阅图1，本实施例提供一种带微织构的髋关节假体系统，具体为一种带微织构的金属基双陶瓷界面髋关节假体系统(以下简称为“髋关节假体系统”)，该髋关节假体系统由髋臼杯100、内衬200、股骨头300和股骨柄400组成。

请结合图2，具体地，以图示角度为例，内衬200自下而上地嵌入安装在髋臼杯100内。内衬200的外表面设置有锥形的安装部210，安装部210与髋臼杯100之间呈莫氏自锁定配合，实现防脱固定。

此外，内衬200的内表面设置为球面。相应地，股骨头300呈球缺形设置，与内衬200转动配合，股骨柄400则与股骨头300远离内衬200的一端连接。

在上述髋关节假体系统中，髋臼杯100与股骨柄400相对转动，内衬200和股骨头300则共同构成摩擦副。

在此基础上，内衬200朝向股骨头300的一侧和/或股骨头300朝向内衬200的一侧设置有微织构层500，以减少摩擦。其中，微织构层500为按一定的规律排列的微凹或微凸形状表面。

需要注意的是，髋关节假体系统摩擦副之间的润滑状态由关节液中生物分子与人工关节的相互作用所决定，而该相互作用与人工关节的润湿性能有关。润湿性用于表征液体在固体表面的铺展能力，而固体表面的亲水性和疏水性可由接触角θ的大小来定义，当θ<90°时，固体表面亲水，当θ≥90°，固体表面疏水。总之，润湿性会影响关节液在髋关节表面的浸润以及界面的滑移特性。

相较于光滑表面，当内衬200和/或股骨头300表面设置微织构层500后，关节液在表面张力的作用下更易于附着在微织构层500上，并在微织构层500的引导下铺展开来。由此，微织构层500能够增强内衬200和/或股骨头300的润湿性能，促进关节液在内衬200和/或股骨头300表面铺展。此外，微织构层500所具有的槽状构造能够存留关节液，确保摩擦副的摩擦磨损在关节液中进行。

结合以上两点，微织构层500能够增强关节液的润滑支撑能力，降低内衬200与股骨头300之间的磨损。

此外，微织构层500所具有的槽状构造同样能够储存磨屑，有效防止磨屑对内衬200和股骨头300表面的进一步损伤。

因此，上述带微织构的髋关节假体系统相较于传统的人工关节具有更好的机械磨损性能，具有更长的磨损寿命。

在本实施例中，内衬200朝向股骨头300的一侧和股骨头300朝向内衬200的一侧均设置有微织构层500。

请参阅图3，可选地，内衬200朝向股骨头300的一侧设置有圆弧形的第一微织构层510，其由顺次排列的若干圆弧形槽组成，每个圆弧形槽的尺寸为微米级或者纳米级。

请一并参阅图4和图5，可选地，股骨头300朝向内衬200的一侧设置有蜂窝状的第二微织构层520，其由阵列设置的若干六边形槽组成，每个六边形槽的尺寸同样为微米级或者纳米级。

在一些具体实施方式中，第二微织构层520包括至少两种蜂窝状微织构，且不同的蜂窝状微织构具有不同的深度。

例如，第二微织构层520包括两种蜂窝状微织构。组成其中一种蜂窝状微织构的六边形槽的深度为0.2mm，组成另一种蜂窝状微织构的六边形槽的深度为0.1mm。

当然，第二微织构层520也可以包括更多种深度不等的蜂窝状微织构，组成蜂窝状微织构的六边形槽的深度也可以是0.15mm、0.3mm等。

进一步地，髋臼杯100、内衬200、股骨头300和股骨柄400均为金属材质，且内衬200或股骨头300在加工形成微织构层500之后经过氧化或者氮化处理，以形成陶瓷界面。

一方面，所形成的陶瓷界面质地坚硬，具有优异的耐磨性和低磨损率，可降低对软体材料的磨损，即具有关节面界面的优异耐磨性。陶瓷界面还能够降低金属离子的释放，具有优异生物相容性，即具有骨整合界面的优异生物相容性。低磨损率的关节面与骨长入性能优异的骨整合界面(骨小梁)有机配伍，可以使假体同时实现两界面优点。

请参阅图6，另一方面，在形成陶瓷界面的过程中，机加工形成微织构层500所产生的棱角和开裂区域能够自行脱落、剥离，使得微织构层500的各个表面更加光滑，从而进一步增强内衬200和/或股骨头300的润湿性能。

可选地，髋臼杯100、内衬200、股骨头300和股骨柄400均为锆铌合金材质，其具有优异的耐腐蚀性、力学性能和良好生物相容性。

在本实施例的一些具体实施方式中，内衬200和股骨头300当中的一个经过氧化处理，以形成氧化物陶瓷界面，具体为氧化锆铌合金瓷。内衬200和股骨头300当中的另一个经过氮化处理，以形成氮化物陶瓷界面，具体为氮化锆铌合金瓷。

采用不同处理工艺形成不同材质的摩擦界面，能够进一步减小摩擦。

在本实施例的另一具体实施方式中，内衬200和股骨头300也可以均经过氧化处理，形成氧化锆铌合金瓷，或者均经过氮化处理，形成氮化锆铌合金瓷。

此时，采用不同的处理工艺参数改变氧化锆铌合金瓷/氮化锆铌合金瓷的组分，同样能够形成不同材质的摩擦界面。

进一步地，髋臼杯100、内衬200、股骨头300和股骨柄400均为锻压成型，且内衬200和股骨头300在锻压成型之后经过激光加工，以形成微织构层500。

与3D打印等成型方式相比，锻压成型的髋臼杯100、内衬200、股骨头300和股骨柄400的强度更高，性能更好。

以采用氧化处理工艺的内衬200为例，其加工过程如下：

第一步，将以锆铌合金为原材料经锻压成型的内衬200放置在热处理炉中，在惰性气体保护下，升温至800-1200℃区间，恒温放置30min-180min，冷却至室温后在500-900℃区间内进行回火，经热处理加工后得到内衬200的第一中间产物。

第二步，将第一中间产物进行机加、研磨、修整、初抛光、清洗和干燥，得到第二中间产物。

第三步，加工后的第二中间产物表面粗糙度达到初始标准，在飞秒激光下进行加工，得到第三中间产物。激光加工参数以加工深度20μm为目标，保持水平条件下加工得到的激光参数为重复频率40f/KHz、扫描次数3、能量3Ep/μJ和光斑移动速度5v/mm·s^-1获得表面加工的第一微织构层510，该工序加工后表面无熔融物质。

第四步，将第三中间产物进行抛光处理得到第四中间产物。

第五步，将内衬200的第四中间产物放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为5％-45％的常压惰性气体，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-700℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出，得到带有微织构的锆铌合金氧化的金属陶瓷界面假体。

对于采用氮化处理工艺的内衬200而言，其加工过程与上述加工过程的区别在于，在第五步中，将内衬200的第四中间产物放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为20％-40％的常压氮气，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-900℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出，得到含氮化层的锆铌合金假体。

需要注意的是，微织构层500的存在使得陶瓷界面与锆铌合金基体的结合力得到有效地增强。

总之，在上述髋关节假体系统中，结合激光加工技术、氧化技术和抛光技术对锆铌合金材料进行加工得到具有微织构形貌的金属基双陶瓷界面股骨头300、内衬200髋关节组件，不仅可以对股骨头300和内衬200起到减磨、存液和储屑的作用，减小骨溶解及陶瓷异响的发生，还可以降低股骨头300底端脆性开裂的风险，增加髋关节假体的安全性能和使用性能。上述髋关节假体系统相较于传统的人工关节具有更好的机械磨损性能，具有更长的磨损寿命。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，包括髋臼杯、内衬和股骨头；

所述内衬设置于所述髋臼杯内，所述股骨头与所述内衬转动配合；

其中，所述内衬朝向所述股骨头的一侧和/或所述股骨头朝向所述内衬的一侧设置有微织构层。

2.根据权利要求1所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述内衬和所述股骨头为金属材质，且所述内衬或所述股骨头在加工形成所述微织构层之后经过氧化或氮化处理，以形成陶瓷界面。

3.根据权利要求2所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述内衬和所述股骨头的材质相同，所述内衬和所述股骨头当中的一个经过氧化处理，以形成氧化物陶瓷界面，所述内衬和所述股骨头当中的另一个经过氮化处理，以形成氮化物陶瓷界面。

4.根据权利要求2所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述内衬和所述股骨头在锻压成型之后经过激光加工，以形成所述微织构层。

5.根据权利要求2所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述内衬和所述股骨头为锆铌合金材质。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，对所述内衬或所述股骨头进行氧化处理时，将所述内衬或所述股骨头放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为5％-45％的常压惰性气体，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-700℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出。

7.根据权利要求2-5中任一项所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，对所述内衬或所述股骨头进行氮化处理时，将所述内衬或所述股骨头放置于管式炉内，通入含氧质量百分比为20％-40％的常压氮气，以5℃/min-20℃/min加热至500℃-900℃，以0.4℃/min-0.9℃/min降温至400℃-495℃，自然冷却至200℃以下取出。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述内衬朝向所述股骨头的一侧设置有圆弧形的第一微织构层。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述股骨头朝向所述内衬的一侧设置有蜂窝状的第二微织构层。

10.根据权利要求9所述的带微织构的髋关节假体系统，其特征在于，所述第二微织构层包括至少两种蜂窝状微织构，且不同的所述蜂窝状微织构具有不同的深度。