[发明专利]多层异构仿生关节软骨材料的制备工艺

说明书

本发明公开了一种多层异构仿生关节软骨材料制备工艺，制备工艺：以表面活化处理的聚乙烯为基体，采用原位化学接枝及定向凝固技术在其表面交联内部孔隙垂直于基体的聚乙烯醇/羟基磷灰石(PVA/HA)复合水凝胶层；然后利用非定向凝固法锚接内部孔隙互嵌的聚乙烯醇/羟基磷灰石/蚕丝(PVA/HA/Silk)复合水凝胶层；最后利用定向凝固技术及退火技术，在表面构筑内部孔隙平行于基体的聚乙烯醇/羟基磷灰石/聚丙烯酸(PVA/HA/PAA)复合水凝胶致密膜，从而构建高强度、低渗透及耐磨损的多层异构仿生关节软骨材料。制备出的仿生软骨材料与天然软骨结构、功能相类似，不易磨损松动、界面润滑性好、生物活性充足，一定程度上替代了软骨作用。

技术领域

本发明属于软骨材料制备技术领域，具体涉及一种仿生关节软骨材料制备工艺，特别是一种多层异构仿生关节软骨材料的制备工艺。

背景技术

人体的关节表面覆盖着关节软骨，在人体生理环境中，关节软骨可以承载传递7-9倍人体的重量，并且可以提供优良的承载润滑关节面，其摩擦系数极低，约0.001-0.03。由于关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，关节软骨要承受一生中运动所致的周而复始的摩擦，因此关节软骨会不断的磨损和退化，最终导致骨关节炎的发生。目前，因关节软骨磨损导致的骨关节炎已成为世界头号致残性疾病，由于软骨的自身修复能力极其有限，一旦造成损伤或病变，很少能够自愈，一般采用人工关节置换以重建关节功能。

人工关节置换术自上世纪60年代广泛应用于临床以来，已成为治疗人类关节毁损最成功、最有效的外科和康复手段。全球约有4亿人患有严重的骨关节疾病，其中我国就超过1亿患者，每年人工关节置换约200万例。但是，目前的人工关节假体仍然存在耐磨性不够高、使用寿命不够长、植入假体翻修率过高等问题，难以满足日益增长的高可靠性、长寿命人工关节置换需求，其根本原因在于植入假体均为硬面-硬面接触，与天然关节的软骨-软骨接触形式差异太大。植入假体的磨损、固定、感染等关键技术难题尚未得到很好的解决(硬面-硬面接触人工关节的设计寿命一般为10-15年)，因此，急需依靠生物材料学、生物摩擦学、关节外科学的深度融合交叉来解决以上难题，实现天然软骨的仿生设计及天然关节的仿生制造，最终获得高可靠性、长寿命的人工关节假体。

天然关节软骨是多孔的液、固两相材料，具有分层结构，且不均匀、非线性、各向异性，软骨的不同结构区域具有不同的力学性能，而各层之间又有着非常密切的依赖关系，共同行使软骨的功能。浅表层的含水量为80％～90％，胶原纤维的排列方向与关节表面相平行，构成一层致密的孔隙状胶原纤维网，滑液可以在浅表层渗透和滞留，起到良好的润滑作用，进而抵抗关节活动时的剪切负荷。中间层的含水量为80％，胶原纤维相互交错；深层的含水量最低(65％)，胶原纤维自下而上呈放射状排列；中间层和深层具有抵抗挤压负荷的良好性能，起到保持体液和缓冲的作用。钙化层是软骨和软骨下骨的过渡层，主要功能是将关节软骨结实地固定在软骨下骨之上。

当软骨受到力学负荷时，液相受软骨内部压力的驱动，在软骨内形成渗透，但是软骨浅表层的渗透率极低，限制了液相渗出，阻碍了软骨变形的发生，在软骨内形成了静水压力，能够分担软骨90-99％的载荷，从而避免产生大变形对软骨组织造成破坏。由于软骨面上的载荷被液相分担，软骨固相接触部分承载的实际载荷降低，从而大大减少了软骨间的摩擦。由此可见，液相承载是维护软骨正常力学行为的主要因素、保障软骨长期摩擦性能的核心。更重要的是人体关节的摩擦配副为软骨-软骨形式，具有低弹性模量、高可变形性、优良的润滑和抗磨性能，可以有效的减缓冲击、吸收震荡、减小关节运动时承受的冲击及磨损，因此，人体关节才能够正常运行70年以上。

基于天然关节软骨多层定向的孔隙结构，仿生设计高强度、低渗透及耐磨损的多层异构仿生软骨材料，是解决人工关节磨损和无菌性松动问题的最佳选择，这对于提高关节置换者的生命质量、推动我国的植入假体制造产业的发展具有重要意义。

发明内容