專利名稱：改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于植入物醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別是一種改善生物相容性與摩擦學性能的聚 乙烯人工關(guān)節(jié)及其制備方法。
背景技術(shù)：
超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白與金屬關(guān)節(jié)頭組合形成的人工關(guān)節(jié)具有成本低的優(yōu)勢， 目前仍然被臨床廣泛采用。日?；顒又?，人工關(guān)節(jié)在頻繁的摩擦作用下極易發(fā)生磨損，尤其 是軟質(zhì)材料側(cè)。臨床實驗發(fā)現(xiàn)，超高分子量聚乙烯磨屑在體內(nèi)積聚能誘發(fā)基體細胞產(chǎn)生一 系列不良生物反應(yīng)，導致假體周圍骨質(zhì)溶解和無菌松動，嚴重影響了人工關(guān)節(jié)的質(zhì)量和使 用壽命。因此，研究耐磨損、生物相容性好和性價比高的新型人工關(guān)節(jié)對提高人們的生活質(zhì) 量具有重要意義。近年來，提高人工關(guān)節(jié)用超高分子量聚乙烯耐磨性的方法主要有Y射線輻照交 聯(lián)，碳纖維和填充納米顆粒增強改性等。然而，這些方法在改善耐磨性的同時，是以犧牲超 高分子量聚乙烯本身性能為代價，如射線輻照會導致聚乙烯降解，加速其老化；聚乙烯中填 充的碳纖維和納米顆粒對人體的影響如何還沒有進行生物相容性和醫(yī)學臨床方面的評價。研究發(fā)現(xiàn)，天然關(guān)節(jié)軟骨表面滑膜腔及其淺表層界面處伸出由游離的蛋白聚糖和 透明質(zhì)酸聚等物質(zhì)組成的刷狀物。這種刷子型結(jié)構(gòu)具有較強的水化能力，形成的水化層有 效地起到潤滑、降低摩擦力、減小磨損作用，賦予天然關(guān)節(jié)超潤滑功能(摩擦系數(shù)在0. 001 到0. 01之間)。天然關(guān)節(jié)軟骨平均使用壽命達70年之久，遠高于目前人工關(guān)節(jié)的使用壽 命Q0-30年)。模仿天然關(guān)節(jié)的軟骨結(jié)構(gòu)，在人工關(guān)節(jié)材料——聚乙烯表面接枝聚合物鏈 形成類似于天然關(guān)節(jié)表面聚合物刷的結(jié)構(gòu)，研究關(guān)節(jié)表面聚合物刷的構(gòu)建及潤滑機理具有 重要的理論及實際應(yīng)用價值。2-甲基丙烯酰氧乙基磷脂酰膽堿(MPC)是細胞膜的重要組成部分之一，能阻止蛋 白質(zhì)沉積，具有極佳的生物形容性。Uyama(Journal of Polymer Science Part C :Polymer Letters，1990，39 489-498)報道通過紫外光照射將丙烯酰胺接枝到尼龍，聚丙烯，乙烯一醋酸乙烯酯共聚 物，聚氟乙烯上后，發(fā)現(xiàn)水接觸角和摩擦系數(shù)均大大降低。Kazuhiko Ishihara(Colloids and Surfaces B Biointerfaces，2000，18 :325-335)在聚乙烯膜上接枝乙烯基比咯燒酮， 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿，其生物相容性及潤濕性顯著改善。應(yīng)用表面接枝技術(shù)，在聚 乙烯人工關(guān)節(jié)材料表面構(gòu)建仿生聚合物刷，既保持了基體原有的特性，又引入了新的功能， 改善了聚乙烯表面的潤濕性、生物相容性，減少摩擦和磨損，從而起到減輕無菌松動和骨溶 解，提高人工關(guān)節(jié)使用壽命的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種改善人工關(guān)節(jié)生物形容性和摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)及制備方法，模擬天然關(guān)節(jié)軟骨表層滑膜腔的刷型結(jié)構(gòu)，在聚乙烯人工關(guān)節(jié)表面接 枝聚合物刷，改善人工關(guān)節(jié)生物相容性與摩擦學性能。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯 人工關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)頭和超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白，與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯 關(guān)節(jié)白表面上接枝一層仿生聚合物刷層，該聚合物刷層由具有超潤滑和親水性聚合物鏈連 接在聚乙烯表面形成刷狀結(jié)構(gòu)。一種制備改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)的方法，聚乙烯關(guān)節(jié)臼 的摩擦面上涂覆光敏劑，放入單體溶液中，紫外光照射，引發(fā)單體聚合，并與超高分子量聚 乙烯發(fā)生共聚反應(yīng)，即在與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白表面上接枝了一層仿 生聚合物刷層。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)模擬天然關(guān)節(jié)軟骨表層滑膜腔的刷型 結(jié)構(gòu)和潤滑減磨功能，在人工關(guān)節(jié)聚乙烯表面接枝生物形容性好的聚合物刷層，顯著改善 了人工關(guān)節(jié)的生物相容性，和摩擦學性能，可減輕其組織反應(yīng)和無菌松動；( 聚合物刷分 子鏈是通過紫外光接枝技術(shù)化學鍵合于超高分子量聚乙烯表面，結(jié)合牢固；C3)采用本發(fā) 明涉及方法制備的人工關(guān)節(jié)表面潤濕性好，摩擦系數(shù)低。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是人工髖關(guān)節(jié)摩擦副示意圖。圖2是摩擦界面I的放大圖。
具體實施例方式結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)，包括關(guān) 節(jié)頭1和超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白2，與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白表面上 接枝一層仿生聚合物刷層3，該聚合物刷層3由具有超潤滑和親水性聚合物鏈連接在聚乙 烯表面形成刷狀結(jié)構(gòu)。所述聚乙烯為超高分子量聚乙烯，分子量為200-900萬。聚合物鏈 是通過紫外光接枝技術(shù)將聚合物鏈化學鍵合在聚乙烯表面。所述聚合物鏈是由2-甲基丙 烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)或丙烯酸單體溶液在紫外光作用下聚合而成。一種改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)的制備方法，聚乙烯關(guān)節(jié)臼 的摩擦面上涂覆光敏劑，放入單體溶液中，紫外光照射，引發(fā)單體聚合，并與超高分子量聚 乙烯發(fā)生共聚反應(yīng)，即在與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白表面上接枝了一層仿 生聚合物刷層。其中光敏劑涂覆工藝過程為選取二苯甲酮作為光敏劑溶解在丙酮溶液，二 苯甲酮濃度為0. 02-0. 04g/ml的。將打磨清洗過超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白浸入上述丙酮溶 液中40-90秒，最后在暗室真空干燥。紫外光引發(fā)接枝工藝如下將涂覆有光敏劑的超高分 子量聚乙烯關(guān)節(jié)白浸漬在單體溶液中，單體濃度為0. 5-lmol/L。通入氮氣并不斷的攪拌溶 液，加熱至30-60°C后恒溫，在紫外光輻照10-60分鐘，用40-50°C乙醇和去離子水清洗，真 空干燥M小時。實施例1將分子量為200萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干；然后將其浸泡在濃度為0. 02g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯樣品浸漬在濃度為0. 5mol/L的2_甲基丙基酰氧乙基磷酸膽堿水溶 液中，通入氮氣并不斷的攪拌，加熱至60°C后恒溫，在500W紫外光輻照15分鐘，用50°C乙 醇和去離子水清洗，真空干燥M小時。實施例2將分子量為300萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 04g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯樣品浸漬在濃度為0. 5mol/L的2_甲基丙基酰氧乙基磷酸膽堿水溶 液中，通入氮氣并不斷的攪拌，加熱至40°C后恒溫，在500W紫外光輻照20分鐘，用50°C乙 醇和去離子水清洗，真空干燥M小時。實施例3將分子量為500萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 02g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯樣品浸漬在濃度為0. 5mol/L的2_甲基丙基酰氧乙基磷酸膽堿水溶 液中，通入氮氣并不斷的攪拌，加熱至30°C后恒溫，在500W紫外光輻照30分鐘，用50°C乙 醇和去離子水清洗，真空干燥M小時。實施例4將分子量為500萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 04g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯樣品浸漬在濃度為lmol/L的2_甲基丙基酰氧乙基磷酸膽堿水溶液 中，通入氮氣并不斷的攪拌，加熱至50°C后恒溫，在500W紫外光輻照45分鐘，用50°C乙醇 和去離子水清洗，真空干燥M小時。實施例5將分子量為900萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 04g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯樣品浸漬在濃度為0. 5mol/L的2_甲基丙基酰氧乙基磷酸膽堿水溶 液中，通入氮氣并不斷的攪拌，加熱至30-60°C后恒溫，在500W紫外光輻照60分鐘，用50°C 乙醇和去離子水清洗，真空干燥M小時。實施例6將分子量為300萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 02g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯浸漬在濃度為0. 5mol/L的丙烯酸水溶液中，通入氮氣并不斷的攪 拌，加熱至60°C后恒溫，在500W紫外光輻照10分鐘，用50°C乙醇和去離子水清洗，真空干燥對小時。實施例7將分子量為500萬的聚乙烯樣品放入甲醇中超聲波清洗30分鐘，清洗兩次，烘干； 然后將其浸泡在濃度為0. 04g/ml 二苯甲酮的丙酮溶液中，2小時之后取出，室溫下，在黑暗 環(huán)境中真空干燥1小時以除去溶劑，制得預覆有光敏劑的聚乙烯。將上述聚乙烯浸漬在濃度為lmol/L的丙烯酸水溶液中，通入氮氣并不斷的攪拌， 加熱至50°C后恒溫，在500W紫外光輻照15分鐘，用50°C乙醇和去離子水清洗，真空干燥M 小時。對比例1按照實施例1，2，3，4，5，6和7分別制備聚乙烯表面仿生聚合物刷樣品，并測試 其表面接觸角，用于表征材料表面潤濕性，測得接觸角大小分別為23°，22°，26°，14°， 16°，19°和15°遠遠低于對比例(未改性樣品表面的接觸角80° )。表明仿生接枝聚合 物刷對改善聚乙烯表面潤濕性效果顯著。對比例2按照實施列4制備的聚乙烯表面仿生聚合物刷樣品，溶血率測試結(jié)果為0. 32%, 明顯低于對比例(未改性樣品的0. 56% )。血小板黏實驗表明，表面接枝MPC后表面沒有 實質(zhì)性的血小板黏附，而對比例中有血小板黏附，并且血小板有偽足伸出。說明聚乙烯表面 接枝MPC后生物相容性明顯改善。對比例3按照實施例4制備的聚乙烯表面表面仿生聚合物刷，在銷盤式摩擦磨損試驗機與 Al2O3陶瓷球?qū)δy試摩擦系數(shù)。以25%的小牛血清溶液作為潤滑劑，載荷為5MPa，速度為 lOOcm/min在樣品表面滑動。測得表面接枝聚合物刷的摩擦系數(shù)為0. 04，低于對比例表面 的摩擦系數(shù)0. 67。應(yīng)用按上述實施列技術(shù)方法在聚乙烯關(guān)節(jié)白(圖1中的幻表面接枝仿生聚合物 刷層(圖2中的幻，即可取到減少置換關(guān)節(jié)的摩擦、改善生物相容性、減少組織反應(yīng)和無菌 松動，提高其使用壽命的作用。
權(quán)利要求
1.一種改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)頭和超高分子量聚 乙烯關(guān)節(jié)白，其特征在于與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)白表面上接枝一層仿生 聚合物刷層，該聚合物刷層由具有超潤滑和親水性聚合物鏈連接在聚乙烯表面形成刷狀結(jié) 構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善人工關(guān)節(jié)生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)， 其特征在于所述聚乙烯為超高分子量聚乙烯，分子量為200-900萬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善人工關(guān)節(jié)生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)， 其特征在于聚合物鏈是通過紫外光接枝技術(shù)將聚合物鏈化學鍵合在聚乙烯表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述得改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)，其 特征在于所述聚合物鏈是由2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(MPC)或丙烯酸單體溶液在紫 外光作用下聚合而成。
5.一種制備權(quán)利要求1所述的改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)的方 法，其特征在于聚乙烯關(guān)節(jié)白的摩擦面上涂覆光敏劑，放入單體溶液中，紫外光照射，引發(fā) 單體聚合，并與超高分子量聚乙烯發(fā)生共聚反應(yīng)，即在與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙 烯關(guān)節(jié)白表面上接枝了 一層仿生聚合物刷層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)的制備方 法，其特征在于光敏劑涂覆工藝過程為選取二苯甲酮作為光敏劑溶解在丙酮溶液，二苯甲 酮濃度為0. 02-0. 04g/ml的。將打磨清洗過超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼浸入上述丙酮溶液中 40-90秒，最后在暗室真空干燥。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)的制備方 法，其特征在于紫外光引發(fā)接枝工藝如下將涂覆有光敏劑的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼浸 漬在單體溶液中，單體濃度為0. 5-lmol/L。通入氮氣并不斷的攪拌溶液，加熱至30-60°C后 恒溫，在紫外光輻照10-60分鐘，用40-50°C乙醇和去離子水清洗，真空干燥M小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善生物相容性與摩擦學性能的聚乙烯人工關(guān)節(jié)及其制備方法，人工關(guān)節(jié)包括關(guān)節(jié)頭和超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼，與關(guān)節(jié)頭相摩擦的超高分子量聚乙烯關(guān)節(jié)臼表面上接枝一層仿生聚合物刷層，該聚合物刷層由具有超潤滑和親水性聚合物鏈連接在聚乙烯表面形成刷狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明模擬天然關(guān)節(jié)軟骨淺表層滑膜腔的刷型結(jié)構(gòu)和潤滑減磨功能，在人工關(guān)節(jié)聚乙烯表面接枝生物形容性好的聚合物刷層，顯著改善了人工關(guān)節(jié)的生物相容性和摩擦學性能，可減輕其組織反應(yīng)和無菌松動；聚合物刷分子鏈是通過紫外光接枝技術(shù)化學鍵合于超高分子量聚乙烯表面，結(jié)合牢固；采用本發(fā)明涉及方法制備的人工關(guān)節(jié)摩擦表面潤濕性與生物相容性好，摩擦系數(shù)低?？蓽p輕人工關(guān)節(jié)無菌松動，提高其使用壽命。
文檔編號A61F2/30GK102078227SQ20101055598
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者熊黨生 申請人:南京理工大學