一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副
阅读：731发布：2024-01-25
专利汇可以提供一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 石墨 烯和醚醚 酮 复合新材料制成的骨科 植入物 关节面 摩擦副 ，具体为通过使用新 复合材料 使得骨科植入物关节面摩擦副的耐摩擦性能显著提高，同时具有自润滑性，使得摩擦副 力 学性能达到最佳，显著降低摩擦磨损对产品的危害。本发明所制骨科植入物关节摩擦副具有高 耐磨性 和自润滑性，显著提高植入物的使用寿命。，下面是一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副专利的具体信息内容。
1.一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副，其特征在于，所述摩擦副所采用的材料包括：石墨烯和醚醚酮复合材料。所述复合材料采用如下方式得到：
首先，利用物理法对聚醚醚酮表面进行羟基化改性；在此过程中，聚醚醚酮先进行清洗抛光后，再通过等离子体注入在聚醚醚酮表面形成羟基官能团；等离子体源为水蒸汽，氩气为电离助剂，真空室压力为1×10-2～1×10-3Pa；羟基化改性后的PEEK材料进行软化、造粒；
然后，将氧化石墨烯纤维制备及其磺化改性；此过程包括，通过膜浓缩法制备浓度为8～10g/L的氧化石墨烯分散液，再将其置于乙酸的乙醇溶液中凝固，纤维直径100～500μm，纤维长度1～10mm；中制备出的氧化石墨烯纤维在乙醇和脱水剂的混合溶液中与对氨苯磺酸发生磺化反应；
第三，将氧化石墨烯纤维原位接枝到聚醚醚酮；在此过程中，将所述聚醚醚酮和所述石墨烯以化学键的方式结合以形成性能稳定均一的聚合物。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副，其特征在于，高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副采用将上述复合材料与聚醚醚酮按照重量比1:10共混，然后根据模具将一次热压注塑成型由混合材料制成所述高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副。
3.根据权利要求1所述的一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副，其特征在于，所述混合材料拉伸屈服强度≥35MPa，拉伸断裂强度≥70MPa；断裂伸长率≥600％；双切口冲击强度≥360kJ/m2；表面粗糙度为0～1um，摩擦系数为0～0.01；产品接触角θω为0°～25°，表面能≥100mN/m。
一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副
技术领域
背景技术
[0003] 在人体的原生关节中，关节摩擦副的表面有软骨组织的覆盖，该组织能分泌适量的润滑 液，形成一个良好的自润滑系统，使关节在70～80年中保持正常工作。
[0004] 在一些情况下，需要植入人工关节以缓解某些疾病或缺陷。但是人工关节植入物破坏了 原有的自润滑系统，工作中相对运动面发生磨损，每年约产生500万颗磨损颗粒。这些磨粒 在植入物与肌肉界面的聚积，导致生物对异体的反应，诱发相应数量的细胞吞噬这些颗粒， 变异的细胞将导致骨溶解，同时使原先紧密配合的“人工关节—骨”接合面发生松动，最终 导致假体的失效。
[0005] 人工关节摩擦副技术与产品表面的耐磨性、滋润滑性密切相关，避免产生导致假体失效 的磨粒是人工关节摩擦副研究的最高目标，该目标应从耐磨性和自润滑性等方面进行展开。
[0006] 综上所述，目前亟需开发一种高耐磨性、高润滑性的骨科植入物关节摩擦副产品，其将 具有相对现有产品更长久的使用寿命，减少或完全避免病人因产品磨损原因导致假体失效后 的重新置换手术，用以替代市面上现有的关节摩擦副产品。
发明内容
[0008] 为了解决上述问题，本专利所提供的技术方案包括：
[0009] 一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副，其特征在于，所述摩擦副所采用的材料包 括：石墨烯和醚醚酮复合材料。所述复合材料采用如下方式得到：首先，利用物理法对聚醚 醚酮表面进行羟基化改性；在此过程中，聚醚醚酮先进行清洗抛光后，再通过等离子体注入 在聚醚醚酮表面形成羟基官能团；等离子体源为水蒸汽，氩气为电离助剂，真空-2 -3室压力为1 ×10 ～1×10 Pa；羟基化改性后的PEEK材料进行软化、造粒；然后，将氧化石墨烯纤维制 备及其磺化改性；此过程包括，通过膜浓缩法制备浓度为8～10g/L的氧化石墨烯分散液， 再将其置于乙酸的乙醇溶液中凝固，纤维直径100～500μm，纤维长度1～10mm；
中制备出 的氧化石墨烯纤维在乙醇和脱水剂的混合溶液中与对氨苯磺酸发生磺化反应；
第三，将氧化 石墨烯纤维原位接枝到聚醚醚酮；在此过程中，将所述聚醚醚酮和所述石墨烯以化学键的方 式结合以形成性能稳定均一的聚合物。
中制备出 的氧化石墨烯纤维在乙醇和脱水剂的混合溶液中与对氨苯磺酸发生磺化反应；
第三，将氧化 石墨烯纤维原位接枝到聚醚醚酮；在此过程中，将所述聚醚醚酮和所述石墨烯以化学键的方 式结合以形成性能稳定均一的聚合物。
[0011] 优选地，所述混合材料拉伸屈服强度≥35MPa，拉伸断裂强度≥70MPa；断裂伸长率≥600％； 双切口冲击强度≥360kJ/m2；表面粗糙度为0～1um，摩擦系数为0～0.01；产品接触角θω为 0°～25°，表面能≥100mN/m。
[0012] 采用上述技术方案，摩擦副的耐摩擦性能进一步提高，一方面将有利于保持关节的润滑 性能，另一方面可以将衬垫做的更薄，这样可以尽可能保留原生的骨组织，使得假体的稳定 性更高，且后期如果需要进行翻修手术，较多的骨量保留有助于提高翻修假体的成功率。附图说明
[0013] 图1是实施例中一种骨科植入物摩擦副应用于膝关节胫骨衬垫。
具体实施方式
[0014] 下面结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明。需要指出的是，具体实施方式的 描述并不意味着对本专利保护范围的限制，其仅仅是对优选的某一个或某一些技术方案示例 性的说明。
[0015] 本具体实施方式中提供了一种高耐磨自润滑骨科植入物关节面摩擦副，具体而言，可 以使用在人或者动物体内的各种关节的假体之中。例如图1所示的膝关节胫骨衬垫、以及髋 关节髋臼内衬、以及肩关节盂部件、以及踝关节衬垫、以及椎间盘衬垫等。
[0016] 材料
[0017] 在本具体实施方式中，使用一种具有创新性的材料来制造高耐磨自润滑骨科植入物关 节面摩擦副，以通过该材料的性能在某一个方面满足所述的关节面摩擦副的性能需求。
[0018] 现有的胫骨衬垫其材料采用超高分子量聚乙烯，其本身具有相当的耐摩擦性能，但是 对于生物体而言，如果耐摩擦性能进一步提高，一方面将有利于保持关节的润滑性能，另一 方面可以将衬垫做的更薄，这样可以尽可能保留原生的骨组织。使得假体的稳定性更高，且 后期如果需要进行翻修手术，较多的骨量保留有助于提高翻修假体的成功率。
[0019] 在本具体实施方式中，为了获得更加耐磨的材料，本专利具体实施方式中提出了一种 采用石墨烯和醚醚酮复合材料。所述材料采用如下方式得到：
[0020] 首先，利用物理法对聚醚醚酮表面进行羟基化改性。在此过程中，聚醚醚酮先进行清洗 抛光后，再通过等离子体注入在表面形成羟基官能团；等离子体源为水蒸汽，氩气为电离助 剂，真空室压力为1×10-2～1×10-3Pa；羟基化改性后的PEEK材料进行软化、造粒。
[0021] 通过这种方法首先能够形成具有羟基官能团的聚醚醚酮材料，同时通过软化和造粒能够 便于其与其它材料键合形成符合人造关节假体性能的均匀的聚合物材料。
[0022] 然后，将氧化石墨烯纤维制备及其磺化改性。此过程包括，通过膜浓缩法制备浓度为8～ 10g/L的氧化石墨烯分散液，再将其置于乙酸的乙醇溶液中凝固，纤维直径100～500μm， 纤维长度1～10mm；中制备出的氧化石墨烯纤维在乙醇和脱水剂的混合溶液中与对氨苯磺酸 发生磺化反应。通过上述步骤能够将石墨烯中的形成能够与聚醚醚酮相键合的官能团。同时 还能够在分散液中均匀分散石墨烯纤维从而有利于形成性能稳定的聚合物材料。
[0023] 第三，将氧化石墨烯纤维原位接枝到聚醚醚酮。在此过程中，将所述聚醚醚酮和所述石 墨烯以化学键的方式结合以形成性能稳定均一的聚合物。
[0024] 第四，将石墨烯聚醚醚酮聚合物与纯聚醚醚酮按照1:10共混，根据模具将产品一次热 压注塑成型得到混合材料。
[0025] 通过上述过程形成的混合材料其性能具有如下特征：拉伸屈服强度≥35MPa，拉伸断裂 强度≥70MPa；断裂伸长率≥600％；双切口冲击强度≥360kJ/m2；产品具有更小的表面粗糙 度和更低的摩擦系数，其表面粗糙度为0～1um，摩擦系数为0～0.01；产品接触角θω为0°～ 25°，表面能≥100mN/m。
[0027] 表面能定义为在某种温度压力下生成单位新的表面积所引起的体系吉布斯自由能的增 加量，其为某种温度下生成单位表面时所需的可逆功，也成为内聚功。
[0028] 通常可以采用几何方程，由接触角数据来获得固体表面能，几何方程如下所示：
[0029]
[0030] 上式中，上标d和p分别表示色散作用和包括氢键在内的“极性”作用。
[0031] 表面能γ与有关表面能分量间的关系为：
[0032] γ＝γd+γp
[0033] 上式中包含两种测试液的接触角数据，分别为水、二碘甲烷作为测试液，查询相关文献 可知其接触角数据。
[0034] 表面能决定了材料表面浸润性，而其是决定植入物与组织液之间亲和力的重要因素。材 料接触角越小，则表面能越高，浸润性也就更高，可以更好的吸附润滑介质，固体表面更易 形成液体润滑膜，从而显著降低表面摩擦系数，增高耐磨性。
[0035] 根据试验数据分析可知，传统超高分子量聚乙烯的接触角θω为30°～80°，表面能为 31mN/m～33mN/m；本发明制成的新材料其接触角θω为0°～25°，表面能100mN/m～200 mN/m。本发明制成的石墨烯和醚醚酮复合新材料相比于传统关节面摩擦副的聚乙烯材料，其 表面能更高，因而自润滑性和耐磨性更高
[0036] 采用上述方法所获得的材料产品具有更高耐磨损性能，磨损微粒更少，磨损速率更慢， 磨损率为0～2mg/百万次。因此从材料上显著提升了骨科植入物关节面的耐摩擦性能。
[0037] 胫骨假体组件
[0038] 所述混合材料作制作的一个部件，用于胫骨假体组件中作为本具体实施方式其中一个典 型的例子。
[0039] 在本具体实施例中，如图1所示，所述胫骨假体组件包括：金属股骨髁、胫骨衬垫1 和胫骨托。
[0040] 在本实施例中，所述胫骨衬垫采用如上所述的混合材料制成，也就是说，将石墨烯聚醚 醚酮聚合物与纯聚醚醚酮按照1:10共混，根据模具将产品一次热压注塑成型的胫骨衬垫。
[0041] 在本实施例中，胫骨衬垫作用于金属股骨髁和胫骨托中间，起到支撑股骨髁并提供运动 支持的关键部件。金属股骨髁相对胫骨衬垫的运动形式包括屈曲伸直、内外旋转、内外翻转 以及前后滑移。多种相对运动形式作用下，胫骨衬垫需要承担各种各样的应力和摩擦作用。 胫骨衬垫背侧和金属胫骨托以Y型锁紧结构形式进行锁紧，并承担两者之间的微动摩擦。
[0042] 现有的胫骨衬垫其材料采用超高分子量聚乙烯，本发明使用石墨烯和醚醚酮复合新材料 制造胫骨衬垫，其耐摩擦性能相对聚乙烯显著提高，因而具有更长的使用寿命，同时磨损量 的减少使得胫骨衬垫厚度的减少成为可能，更薄的胫骨衬垫可以减少胫骨平台的截骨量，使 得胫骨平台截骨更少，保留更多骨量，使得假体的稳定性更高，且后期如果需要进行翻修手 术，较多的骨量保留有助于提高翻修假体的成功率。
[0043] 实际手术中胫骨平台的截骨量为胫骨衬垫的厚度加上胫骨托的厚度，在保持胫骨托厚度 不发生改变的前提下，减少的胫骨衬垫厚度均可以用来保留胫骨平台的骨量。胫骨平台的骨 量保留越多，其对于胫骨托的固定效果就更显著，假体植入后其稳定性更好，也就具有更高 的生存率，反之过多的骨量截除使得胫骨更加脆弱，更容易发生胫骨骨折等并发症，使得植 入物失效。
[0044] 髌骨假体组件
[0045] 在本实施例中，所述病故假体组件包括髌骨假体和金属股骨髁，所述髌骨假体作用于金 属股骨髁的滑车槽内，其外凸球面和股骨髁的滑车槽相配合，髌骨假体沿着股骨髁的滑车槽 滑动，用于替代人体已经受损的髌骨假体关节面，可以减少病人受损关节面摩擦带来的病痛。
[0046] 髌骨假体的厚度即为人体髌骨的厚度截骨量，即人体髌骨截除了多少厚度则使用对应厚 度的髌骨假体，在目前使用超高分子量聚乙烯为原材料的情况下，髌骨假体必须具有足够的 厚度来确保关节面的摩擦磨损不会破环髌骨假体的功能性。本实施例中的髌骨假体使用了如 上所述的混合材料材料来制造，其更优异的耐磨性能可以确保髌骨假体厚度更小，即人体髌 骨的截骨量显著减少，髌骨假体的固定效果更好，假体运动更稳定，避免可能的术后诸如髌 骨弹性的并发症。
[0047] 髋臼内衬
[0048] 在本实施例中，采用上述混合材料来制造髋臼内衬，所述髋臼内衬的厚度为1～2mm。
[0049] 除了上述所举的实施例的例子之外，骨科植入物关节面摩擦副还可以运用在，例如膝关 节、髋关节、肩关节、踝关节、人工椎间盘等全部骨科植入类假体的关节面衬垫。由于其耐 磨性和润滑特性具有十分优良的材料适性。
[0050] 所述关节面摩擦副应用于膝关节系统时，包括胫骨衬垫和髌骨假体，其特征在于：胫骨 衬垫的厚度为1～5mm，髌骨假体的厚度为4～5mm。
[0051] 所述关节面摩擦副应用于髋关节系统时，包括髋臼内衬，其特征在于：髋臼内衬的厚度 为1～2mm。
[0052] 表1关节面摩擦副产品厚度对比表
[0053]
[0054]
[0055] 以上仅仅是本专利优选的技术方案而已，本专利的发明实施方式并不仅限于上述实施例 的内容。本领域技术人员在本专利实施方式的启发下，对于本实施方式中的各种实施例进行 的简单替换、修改或者是删除都应当落入到本专利的保护范围之内。
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