[发明专利]一种仿生人工关节材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种仿生人工关节材料及其制备方法，仿生人工关节材料具有双层仿生结构：聚乙烯醇（PVA）水凝胶层和碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料层，其中表层为抗磨损性能、抗生理冲击载荷性能优良及润滑性能优异的PVA水凝胶，底层为CF/PEEK复合材料。在双层结构中，表层（PVA水凝胶）构成人工关节的软骨层；底层（CF/PEE复合材料）构成人工关节的硬骨层。通过本发明方法实现人工关节材料生物摩擦学性能优化的同时，可有效提高人工关节植入体抗生理冲击载荷能力，实现人工关节的抗生理冲击载荷性能及生物摩擦学性能的同时优化，从而从结构和功能上实现人工关节的真正意义上的仿生。

技术领域

本发明涉及仿生关节材料领域，具体是一种仿生人工关节材料及其制备方法。

背景技术

传统的关节置换材料如陶瓷、金属及高分子材料虽然具有优良生物摩擦学性能，但由于传统关节材料表面缺乏与自然关节表面的软骨层，因此，传统的硬质人工关节材料承受生理冲击载荷的能力较差，在较高的生理冲击载荷作用下，易于折断。另一方面，传统的关节置换材料如钛合金、不锈钢、钴铬钼合金与自然骨之间存在模量不匹配而产生应力遮挡作用，最终导致假体材料的无菌松动。传统人工关节材料的这些缺陷最终会缩短其使用寿命。

研究表明，碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料具有与自然骨相似的生物力学性能和生物相容性，可有效避免传统人工关节所带来的应力遮挡效应。CF/PEEK作为生物医用材料已在整形外科、椎间盘融合器和接骨板等医学领域得到广泛应用。虽然CF/PEEK具有良好的生物力学性能和生物相容性，但其生物摩擦学性能有待进一步提升，且其抗生理冲击载荷能力较差，从而难以实现生物摩擦学性能和抗生理冲击载荷性能的同时提升。为了有效提高CF/PEEK的生物摩擦学性能，众多学者采用表面接枝改性技术对CF/PEEK进行表面改性处理，以期提高CF/PEEK复合材料的润滑性能，进而起到减摩抗磨作用。

表面接枝改性技术虽然在一定程度上模仿了自然关节的软骨层，有效改善了人工关节表面的润滑性能。但现有的仿生设计仍然存在很大的局限性。主要体现在目前通过表面接枝仿生润滑膜的厚度大多处于纳米尺度，与自然关节软骨层的厚度相差甚远，抗击生理冲击载荷的能力甚弱。同时，目前接枝的仿生润滑膜与底层硬质人工关节材料间的界面结合性能有待进一步提升。因此，要实现人工关节抗生理冲击载荷能力的有效提高，仿生润滑膜的厚度及界面结合性能有待进一步提高。因此，如何实现人工关节材料抗生理冲击载荷和生物摩擦学性能之间良好的统一，目前在国内外均未得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生人工关节材料及其制备方法，使具有软骨功能的聚乙烯醇（PVA）水凝胶与碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）复合材料之间形成牢固结合，并以PVA水凝胶充当仿生软骨层，以CF/PEEK复合材料充当硬骨层，通过该方法达到仿生人工关节材料具有与自然关节相似的力学性能和生物摩擦学性能，实现仿生人工关节假体的生物摩擦学性能和力学性能同时优化，从根本上解决人工关节假体的生物力学和生物摩擦学性能之间的矛盾，提高关节假体的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种仿生人工关节材料，其特征在于：其是由底层和制备于底层上的表层构成的双层材料，其中底层为碳纤维增强聚醚醚酮复合材料，表层为聚乙烯醇水凝胶材料，由底层构成仿生硬骨层，并由表层构成仿生软骨层。

所述的一种仿生人工关节材料，其特征在于：构成表层的聚乙烯醇水凝胶材料中，聚乙烯醇的重量含量为7 wt%~20 wt%，水的重量含量为75%~85%，其余为乙烯基三乙氧基硅烷。

所述的一种仿生人工关节材料，其特征在于：构成底层的碳纤维增强聚醚醚酮复合材料中，碳纤维的重量含量为20~40%，其余为聚醚醚酮。

一种仿生人工关节材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：