CN102492950A - 具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面及制备方法。模拟天然关节软骨的多孔和浅表层刷状结构与润滑功能，用物理或化学方法在人工关节摩擦表面构造微米尺度多孔结构，并接枝亲水强、生物相容性好的聚合物分子刷，形成从微米、纳米到分子的多尺度结构表面，显著改善植入体的生物摩擦学性能，有效减轻磨屑的组织反应、骨溶解和无菌松动，明显延长人工关节的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及人工关节等植入体摩擦表面领域，特别是一种具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面及其制备方法。
背景技术
日常活动中，人工关节在频繁的摩擦作用下极易发生磨损，产生的磨屑在体内积聚，能诱发基体细胞产生一系列不良生物反应，导致假体周围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，自然软骨表面存在微观粗糙度大约为1-6μm 的微观凹凸结构，如图3所示，良好的微孔结构可以缓冲震荡承受压力，又能起到储存润滑液，改善人工关节润滑环境的作用。此外，在关节滑膜腔与浅表层界面处伸出由游离的蛋白聚糖、蛋白聚糖和透明质酸聚集体等的刷状物。这种刷子型结构具有较强的水化能力，有效地起到改善润滑、减小磨损作用，赋予自然关节超润滑功能（摩擦系数在0.001到0.01之间）。自然关节软骨平均使用寿命达70年之久，远高于目前人工关节的使用寿命（20-30年）。模拟自然软骨的结构和功能，在人工关节表面构建多孔及刷状结构，对改善人工关节表面生物摩擦学性能及生物相容性、减少磨屑的组织反应、减轻人工关节的无菌松动和骨溶解、延长其使用寿命等方面，具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度微结构表面及其制备方法。该仿生多尺度微结构可构建与于金属关节头、关节臼和金属膝关节摩擦表面。具有该结构的金属承载摩擦面与金属、陶瓷和超高分子量聚乙烯或自身组成人工关节摩擦副，植入人体后能有效改善润滑，减少摩擦、磨损和磨屑的产生，此外，由于接枝磷酸胆碱等生物相容性优良的高分子，可有效减轻磨屑的组织反应、骨溶解和无菌松动，明显延长人工关节的使用寿命。
本发明的原理为：模拟天然关节软骨多孔和浅表层的刷状结构与润滑功能，在人工关节摩擦表面构造微米尺度多孔结构，如图1和图2所示，并在其上接枝亲水强、生物相容性好的聚合物分子刷，形成从微米、纳米到分子的多尺度表面结构。多孔结构可改善流体动压润滑，聚合物分子刷能吸附水形成水合层润滑，两者协同作用降低人工关节摩擦与磨损，同时改善生物相容性，减少磨屑的组织反应，减轻人工关节的无菌松动和骨溶解，提高其使用寿命。
根据原理，实现本发明目的的技术解决方案为：在人工关节材料表面构建多孔结构及聚合物刷。所述人工关节主要为钛合金、钴基合金或不锈钢等常用的金属人工关节材料。金属表面多孔结构由物理方法（如激光刻蚀、表面喷丸处理、电子束刻蚀），化学方法（如阳极氧化），或其他可制备多孔结构的方法获得；聚合物分子刷为高分子单体在辐照（紫外光、γ射线）、臭氧活化或化学溶液等作用下共价键合于多孔人工关节摩擦表面，同时发生均聚反应形成的类似“刷状”结构的聚合物层。
具有优异生物摩擦学性能的人工关节摩擦表面仿生多尺度结构的制备方法，具体实施过程包括以下步骤：
步骤1、采用激光刻蚀法或阳极氧化法在合金表面制备微米尺度的微孔群；
步骤2、 多孔合金羟基化预处理；
步骤3、多孔合金硅烷化处理；
步骤4、多孔合金光敏处理；
步骤5、接枝聚合物分子刷；
步骤6、清洗并干燥。
步骤1中所述的合金包括钛合金、钴基合金或不锈钢；采用激光刻蚀法制备的微孔孔径为100-500μm，深度为10-80μm，微孔面积密度为1-20%。
步骤2中所述的羟基化处理为在H2O蒸汽等离子体、O2等离子体或紫外光中预处理5-30min。
步骤3中所述硅烷化处理为在1-20%硅烷偶联剂中静置2-24h，所述硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基硅烷。
步骤4中所述的光敏剂为二苯甲酮，其摩尔浓度为0.01-2mol/L，光敏处理时间为30-180s。
步骤5中所述的接枝单体为乙烯基吡咯烷酮（NVP）、N，N-二甲基-N-（甲基丙烯酰氧乙基）氨基丙磺酸内盐(DMAPS)、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(DMMPPS)或2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC），所述的单体浓度为0.05-10mol/L，所述的接枝方式为紫外光引发，接枝时间为10-60min。
本发明创新性及突出优点在于：
1. 模拟天然关节软骨的多孔和浅表层刷状结构与润滑功能，在金属关节承载摩擦表面构建多孔结构并接枝聚合物刷。表面多孔结构改善流体动压润滑，亲水性聚合物分子刷吸附水形成水合层润滑，利用两者协同润滑作用降低人工关节摩擦与磨损。此外，部分分子刷接枝于微孔内，摩擦过程中难以被去除，可起长期润滑作用。
2. 该仿生多尺度微结构可构建与于金属关节头、关节臼和金属膝关节摩擦表面。具有该结构的金属承载摩擦表面既可以与金属、陶瓷和超高分子量聚乙烯或自身组成人工关节摩擦副，又可以与自然软骨配副用作关节表面置换。植入人体后在能有效改善润滑，减少摩擦、磨损和磨屑的产生的同时，由于接枝磷酸胆碱等生物相容性优良的高分子，可有效减轻磨屑的组织反应、骨溶解和无菌松动，明显延长人工关节的使用寿命。
下面结合附图与具体实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是人工关节承载摩擦副表面仿生多尺度微结构（1.聚合物分子刷2.微米级多孔结构3.人工关节承载摩擦副）。
图2 是自然关节浅表层示意图（1.刷状聚蛋白多糖 2. 透明质酸 3.蛋白多糖）。
图3是自然软骨表面微孔结构的扫描电镜图。
图4 是本发明实施例2中钛合金表面激光刻蚀制备多孔结构的扫描电镜图。
图5 是本发明实施例7中钛合金表面阳极氧化制备多孔结构的扫描电镜图。
具体实施方式
人工关节摩擦表面仿生多尺度结构的制备方法，包括以下步骤：
(1) ) 采用激光刻蚀法或阳极氧化法在钛合金、钴基合金、不锈钢合金表面制备微孔群；采用激光刻蚀法制备的微孔孔径为100-500μm，深度为10-80μm，微孔面积密度为1-20%；
(2)在H2O等离子体、O2等离子体或紫外光中预处理5-30min，获得羟基化表面；
(3)放入质量分数为1-20%硅烷偶联剂中静置2-24h，真空干燥箱干燥固化，获得硅烷化表面；
(4) 在光敏剂存在的情况下，紫外光引发与多孔基体表面接枝生物相容性单体，优选光敏剂预涂覆在超高分子量表面。浸入0.01-10mol/L二苯甲酮的丙酮溶液30-180s，使表面涂覆光敏剂，暗室干燥；
(5)配置0.05-10mol/L的单体溶液，将预涂覆光敏剂的样品放入，置于紫外光灯下照射10-60min；
(6)用50℃乙醇和去离子水清洗，真空干燥24h。
实施例1
用脉冲激光器对钛合金（TC4）表面制备规则微孔结构，在钛合金表面形成孔径为500μm，深度为80μm，微孔群的面积密度为1%，采用等离子体刻蚀机500w高频输出H2O蒸汽等离子体，处理多孔钛合金表面5min；浸入质量分数为20%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室温下静置2h，乙醇清洗，真空干燥箱固化。将硅烷化后的试样浸入0.01mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中180s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置0.05mol/L的MPC单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝60min。
实施例2
如图4所示，用脉冲激光器对钛合金（TC4）表面制备规则微孔结构，在钛合金表面形成孔径为350μm，深度为52μm，微孔群的面积密度为2.6%，采用等离子体刻蚀机500w高频输出H2O等离子体，处理多孔钛合金表面10min；浸入质量分数为10%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室温下静置6h，乙醇清洗，真空干燥箱固化。将硅烷化后的试样浸入0.1mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置1mol/L的NVP单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝45min。
实施例3
用脉冲激光器在钴基合金（Co-Cr-Mo）表面制备规则微孔结构，在Co-Cr-Mo合金表面形成孔径为288μm，深度为34μm，微孔群的面积密度为7.5%，采用等离子体刻蚀机500w高频输出H2O等离子体，处理多孔钛合金表面20min；浸入质量分数为5%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室温下静置12h，乙醇清洗，真空干燥箱固化；将硅烷化后的试样浸入0.5mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置1mol/L的MPC单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝30min。
实施例4
用脉冲激光器在钴基合金（Co-Cr-Mo）表面制备规则微孔结构，在Co-Cr-Mo合金表面形成孔径为137μm，深度为15μm，微孔群的面积密度为12%，采用等离子体刻蚀机500w高频输出O2等离子体，处理多孔钛合金表面30min；浸入质量分数为1%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室温下静置24h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化；将硅烷化后的试样浸入1mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置2mol/L的DMAPS单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝30min。
实施例5
用脉冲激光器在不锈钢（316L）表面制备规则微孔结构，在不锈钢表面形成孔径为100μm，深度为12μm，微孔群的面积密度为20%，采用等离子体刻蚀机500w高频输出O2等离子体，处理多孔钛合金表面30min；浸入质量分数为5%氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，室温下静置12h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。将硅烷化后的试样浸入2mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中60s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置10mol/L的DMMPPS单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝10min。
实施例6
钛合金（TC4）进行打磨抛光，并放入丙酮、乙醇和蒸馏水中超声清洗，在硫酸电解液中进行阳极氧化20min，氧化电压为120V，乙醇、去离子水清洗；阳极氧化样品在紫外光下辐照获得羟基化钛合金表面；钛合金试样浸入质量分数为10%氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液，室温下静置6h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。将硅烷化后的试样浸入0.01mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中30s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置1mol/L的NVP单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝40min。
实施例7
如图5所示，钛合金（TC4）表面进行打磨抛光，并放入丙酮、乙醇和蒸馏水中超声清洗，在磷酸电解液中进行阳极氧化15min，氧化电压为100V，表面形成的微孔结构如图5，乙醇、去离子水清洗；阳极氧化样品在紫外光下辐照获得羟基化钛合金表面；钛合金试样浸入质量分数为20%甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷的乙醇溶液，室温下静置2h，乙醇清洗，真空干燥箱干燥固化。将硅烷化后的试样浸入0.01mol/L二苯甲酮的丙酮溶液中180s以附着光敏剂，暗室干燥去除丙酮；配置0.05mol/L的MPC单体溶液，通入氮气以去除氧气，样品浸入单体溶液并置于紫外灯下辐照接枝20min。
对比例1
按照实施例2和7分别在钛合金表面制备仿生多尺度微结构，并测试其表面接触角，用于表征材料表面润湿性，测得接触角大小分别为24°， 21°，远远低于未改性样品表面的接触角(68°)。表明仿生多尺度微结构对改善钛合金表面润湿性效果显著。
对比例2
按照实施例2和7分别在钛合金表面制备仿生多尺度微结构，在销盘式摩擦磨损试验机与超高分子量聚乙烯对磨测试摩擦系数。以生理盐水作为润滑剂，载荷为5MPa，速度为5cm/s在样品表面滑动。测得表面接枝聚合物刷的摩擦系数为0.01和0.02，低于未改性样品表面的摩擦系数(0.58)。表明仿生多尺度微结构能有效改善钛合金表面摩擦学性能。
Claims (10)
1.一种具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 步骤1、采用激光刻蚀法或阳极氧化法在合金表面制备微米尺度的微孔群；
步骤2、 多孔合金羟基化预处理；
步骤3、多孔合金硅烷化处理；
步骤4、多孔合金光敏处理；
步骤5、接枝聚合物分子刷；
步骤6、清洗并干燥。
2.根据权利要求1所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于步骤1中所述的采用激光刻蚀法制备的微孔孔径为100-500μm，深度为10-80μm，微孔面积密度为1-20%，所述的合金包括钛合金、钴基合金或不锈钢。
3.根据权利要求1所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于步骤2中所述的羟基化处理为所述多孔合金在H2O蒸汽等离子体、O2等离子体或紫外光中预处理5-30min。
4.根据权利要求1所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于步骤3中所述硅烷化处理为所述多孔合金在1-20%硅烷偶联剂中静置2-24h。
5.根据权利要求1或4所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于所述的硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基硅烷。
6.根据权利要求1所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于步骤4中所述的光敏剂为二苯甲酮，其摩尔浓度为0.01-2mol/L，光敏处理时间为30-180s。
7.根据权利要求1所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面的制备方法，其特征在于步骤5中所述的接枝单体为乙烯基吡咯烷酮、N，N-二甲基-N-（甲基丙烯酰氧乙基）氨基丙磺酸内盐、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，所述的单体浓度为0.05-10mol/L，所述的接枝方式为紫外光引发，所述的接枝时间为10-60min。
8.一种具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面，其特征在于所述的结构表面按以下步骤制成：
步骤a、采用激光刻蚀法或阳极氧化法在合金表面制备微米尺度的微孔群；
步骤b、 多孔合金羟基化预处理；
步骤c、多孔合金硅烷化处理；
步骤d、多孔合金光敏处理；
步骤e、接枝聚合物分子刷；
步骤f、清洗并干燥。
9.根据权利要求8所述的具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面，其特征在于步骤a中采用激光刻蚀法制备的微孔孔径为100-500μm，深度为10-80μm，微孔面积密度为1-20%，所述的合金包括钛合金、钴基合金或不锈钢，步骤b中所述的羟基化处理为在H2O蒸汽等离子体、O2等离子体或紫外光中预处理5-30min，步骤c中所述硅烷化处理为在1-20%硅烷偶联剂中静置2-24h，步骤d中所述的光敏剂为二苯甲酮，其摩尔浓度为0.01-2mol/L，光敏处理时间为30-180s，步骤e中所述的接枝单体为乙烯基吡咯烷酮、N，N-二甲基-N-（甲基丙烯酰氧乙基）氨基丙磺酸内盐、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，所述的单体浓度为0.05-10mol/L，所述的接枝方式为紫外光引发，所述的接枝时间为10-60min。
10.根据权利要求8或9所述的.具有优异生物摩擦学性能的仿生多尺度结构表面，其特征在于所述的硅烷偶联剂为甲基丙烯酰氧丙基三氧甲基硅烷或氨基丙基三乙氧基硅烷。
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