[发明专利]一种面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑的方法

说明书

本发明公开了一种面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑的方法，该方法包括在人工关节表面设计织构、在人工关节表面进行表面处理改变接触角、在摩擦副表面设置场促使液体定向聚集三个步骤。人工关节摩擦表面上分布织构，能使相互接触的摩擦表面产生流体动压润滑，减小摩擦系数；表面处理改变人工关节材料的亲‑疏水性，提高润滑液在摩擦表面流动性能；场的设置促进稀溶液定向聚集并润滑。采用本发明制备的人工关节，改善其生物摩擦学性能，可望减轻组织反应和无菌松动，可以延长使用寿命。

技术领域

本发明属于人工关节植入器械和生物摩擦学领域，具体涉及一种面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑的方法。

背景技术

每年美国有200多万人因股性关节炎需要植入人工髋关节和膝关节。考虑到要求植入人工关节的年轻人的数量每年都在增加，人均寿命延长，迫切需要延长人工关节的服役寿命。由于UHMWPE和金属或陶瓷材料组成的人工关节，材料与体液的润湿性差，经常处于混合或边界润滑状态，增大了摩擦并引起磨损。磨屑诱导的骨溶解引起的关节松动迫使相当多的病人接受人工关节翻修手术。因此，在临床应用中，防止磨损和减少摩擦是提高关节假体服役寿命的重要措施，其关键在于良好的润滑。

体外注射人工滑液易被人体吸收或降解，从而失去润滑作用，同时频繁注射容易造成感染。天然体液(细胞外液)的主要成分为水和无机盐，少量的葡萄糖、氨基酸、血清蛋白，属于典型的稀溶液。蛋白质是良好的润滑介质，但因为体液中蛋白质含量低，润滑不良，其活性润滑作用并未引起重视。本发明注意到利用人体的动态分泌作用，保持体液中的蛋白质在一定的平衡水平，以树状织构或网状织构，利用场驱动效应实现稀的体液中的边界润滑活性物质聚集，实现人工关节的高效自主润滑。

研究表明，在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列，可以实现摩擦副摩擦学性能的调控。Qui等和Chyr等用牛血清蛋白做滑液，计算结果表明优化织构参数可以最大限度地增大润滑膜的厚度，摩擦系数显著下降。天然软骨微结构在较小尺度上是联通的，呈现出树状结构，这种局部连通的树状结构可以最大限度减少流阻，也有利于减低摩擦面的温度，防止体液中蛋白质的热变形。稀溶液在微流道内因润湿性梯度、结构梯度造成表面张力的梯度，实现液体自发的、长距离的定向流动。纳米颗粒可以在场驱动的作用下实现定向运动。Steve Granick课题组使用交变电场产生的流动成功地调控了胶体颗粒的运动(链接、游动和群集)。

发明内容

本发明的目的是在于克服人工关节置换术后人工关节润滑性能低下，因磨损产生的磨屑积聚而引发机体细胞产生不良的生物学反应，从而导致假体周围骨质疏松、假体松动等问题，提供了一种面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑的方法，大大增强了人工关节摩擦副接触表面的润滑性能，捕获磨屑作用以及有效承载能力，使得摩擦力降低，磨损减少，提高了人工关节的使用寿命。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑的方法，包括以下步骤：

(1)在人工关节材料表面制备树状织构或网状织构；

(2)将步骤(1)中制备的带有树状织构或网状织构的人工关节材料，采用表面处理方法材料的亲-疏水性能，提高材料表面的润湿性；

(3)将步骤(2)中改性后的人工关节材料，放置在场驱动作用下的环境中进行试验，实现面向人工关节的场致稀溶液定向聚集润滑。

本发明进一步的改进在于，步骤(1)中，在人工关节材料表面制备树状织构或网状织构的加工方法为激光蚀刻法，其中激光打标机频率为20～40kHz，功率范围为40％～70％，激光刻蚀速度为500～700mm/s，加工次数为1～4次；

或热压成型法，其中保持真空度为-0.1MPa，热压压力为5～15MPa，热压温度为150～250℃，压印保持时间为0.5～2.5小时。