[发明专利]具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节及其制备方法，该人工关节由钛合金基体、微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成，属于人体硬组织替代材料领域。

背景技术

人工关节可恢复关节坏死、缺失的功能，这就使得用传统方法无法修复的关节硬组织损坏患者可得到根本的治疗，提高生活质量。通常使用的人工硬组织替代材料是金属材料，因其是生物惰性材料，与骨组织之间不能形成牢固的生理结合，在植入后，常常会发生松动，导致置换失败。此外，植入硬组织的失效会导致骨吸收等并发症，严重影响人工替代组织的远期疗效。采用表面改性技术在人工硬组织替代金属基体表面制备功能性生物涂层（膜），可降低人体环境下有害金属离子的溶出，提高其生物相容性和生物活性，并增强植入体功能。

钛合金表面的二氧化钛陶瓷层无生物毒性，耐磨耐蚀性良好，具有其他传统材料无法达到的良好生物相容性和生物活性。其表面如果形成可控多孔、岛状、沟槽等微纳米结构，能进一步增加了陶瓷层的粗糙度，可以促进细胞组织与材料表面的附着结合，优先黏附成骨细胞，对细胞生长有诱导作用，能有效提高骨组织与植入物的界面结合强度，促进骨愈合。不同孔径、不同形貌的微纳米表面拓扑结构能显著影响细胞在种植体表面的生长形态和功能，同时，表面膜层的多孔拓扑结构还可为药物负载和缓释提供场所。

纳米棒锥状氧化锌晶体也是理想的生物材料，在生物传感器、光动力疗法等方面有广泛的医学应用前景。同时，在生理环境中纳米氧化锌具有低速率可溶解性特点，而锌元素是各种酶和蛋白的重要组成部分，具有生物学调节器的功能。

通过微弧氧化方法配合阴极电沉积技术在纯钛或钛合金表面制备具有生物活性的多孔二氧化钛陶瓷膜/氧化锌纳米拓扑结构的复合涂层，所形成的具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节显示出巨大的生物医学应用潜力。然而，相关研究至今未见报道。鉴于此，引出本发明。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节及其制备方法，拟首先在人工关节钛基体表面通过调节微弧氧化参数获得孔径可调控的多孔二氧化钛生物活性表面层，进一步通过调节电沉积参数，在二氧化钛生物活性表面层上沉积制备氧化锌纳米棒/锥，形成具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节。该人工关节可利用表面丰富的二氧化钛微米孔结构及其孔壁上沉积生长的氧化锌纳米拓扑结构，增强表面成骨细胞的粘附、生长、增殖等生物学效应，实现元素锌的缓释，大大提高了植入初期表面的抑菌能力、生物活性、生物相容性、细胞调控能力。

技术方案：该具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节是由微弧氧化技术和电沉积技术在钛合金基体表面制备的生物相容性良好的多孔二氧化钛表面层和氧化锌纳米棒/锥复合而成。微弧氧化技术制备的二氧化钛表面层具有多孔、沟槽等结构，提高种植体表面粗糙度，为细胞增殖生长和药物缓释提供有益场所，良好的耐磨耐蚀性有利于延长人工关节使用寿命；纳米棒/锥状氧化锌与二氧化钛微米孔组成的微纳米分级拓扑结构，可实现元素锌的缓释，抑制人工关节植入过程中的细菌感染，调节生物学性能。

本发明具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节是由钛合金为基体，采用微弧氧化方法制备的多孔二氧化钛表面层及其表面孔壁上沉积生长的氧化锌纳米棒或纳米锥复合而成；其中，多孔二氧化钛表面层通过微弧氧化方法在钛金属表面原位氧化生成，二氧化钛表面层中弥散分布有孔径为的微米孔；氧化锌纳米棒或纳米锥通过电沉积方法沉积生长在多孔二氧化钛层表面孔壁上，氧化锌纳米棒或纳米锥直径在之间、长度在之间。

所述钛合金是医用Ti6Al4V合金，或是含有Nb、Sn、Mo或Zr中一种或多种元素的医用低弹性模量β型钛合金。

本发明的具有微纳米分级拓扑表面结构的人工关节的制备方法具体通过如下的步骤实现：

1）首先选用钛合金加工好人工关节的模型；

2）微弧氧化电解液配制：采用碳酸盐体系电解质水溶液，包含有2~50g/L的Na₂CO₃、0.5~5g/L的KOH；

3）把人工关节的模型表面打磨抛光，在上述碳酸盐体系特定电解质溶液中以人工关节的模型为阳极，不锈钢为阴极，采用双极脉冲微弧氧化设备对人工关节的模型进行微弧氧化处理，在钛基体表面构建多孔二氧化钛生物活性表面层；