本發(fā)明屬于軟骨材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝，特別是一種多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的制備工藝。

背景技術(shù)：

人體的關(guān)節(jié)表面覆蓋著關(guān)節(jié)軟骨，在人體生理環(huán)境中，關(guān)節(jié)軟骨可以承載傳遞7-9倍人體的重量，并且可以提供優(yōu)良的承載潤滑關(guān)節(jié)面，其摩擦系數(shù)極低，約0.001-0.03。由于關(guān)節(jié)是人體承受載荷最大的生物摩擦副，關(guān)節(jié)軟骨要承受一生中運(yùn)動(dòng)所致的周而復(fù)始的摩擦，因此關(guān)節(jié)軟骨會(huì)不斷的磨損和退化，最終導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。目前，因關(guān)節(jié)軟骨磨損導(dǎo)致的骨關(guān)節(jié)炎已成為世界頭號致殘性疾病，由于軟骨的自身修復(fù)能力極其有限，一旦造成損傷或病變，很少能夠自愈，一般采用人工關(guān)節(jié)置換以重建關(guān)節(jié)功能。

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)自上世紀(jì)60年代廣泛應(yīng)用于臨床以來，已成為治療人類關(guān)節(jié)毀損最成功、最有效的外科和康復(fù)手段。全球約有4億人患有嚴(yán)重的骨關(guān)節(jié)疾病，其中我國就超過1億患者，每年人工關(guān)節(jié)置換約200萬例。但是，目前的人工關(guān)節(jié)假體仍然存在耐磨性不夠高、使用壽命不夠長、植入假體翻修率過高等問題，難以滿足日益增長的高可靠性、長壽命人工關(guān)節(jié)置換需求，其根本原因在于植入假體均為硬面-硬面接觸，與天然關(guān)節(jié)的軟骨-軟骨接觸形式差異太大。植入假體的磨損、固定、感染等關(guān)鍵技術(shù)難題尚未得到很好的解決(硬面-硬面接觸人工關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)壽命一般為10-15年)，因此，急需依靠生物材料學(xué)、生物摩擦學(xué)、關(guān)節(jié)外科學(xué)的深度融合交叉來解決以上難題，實(shí)現(xiàn)天然軟骨的仿生設(shè)計(jì)及天然關(guān)節(jié)的仿生制造，最終獲得高可靠性、長壽命的人工關(guān)節(jié)假體。

天然關(guān)節(jié)軟骨是多孔的液、固兩相材料，具有分層結(jié)構(gòu)，且不均勻、非線性、各向異性，軟骨的不同結(jié)構(gòu)區(qū)域具有不同的力學(xué)性能，而各層之間又有著非常密切的依賴關(guān)系，共同行使軟骨的功能。淺表層的含水量為80％～90％，膠原纖維的排列方向與關(guān)節(jié)表面相平行，構(gòu)成一層致密的孔隙狀膠原纖維網(wǎng)，滑液可以在淺表層滲透和滯留，起到良好的潤滑作用，進(jìn)而抵抗關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)的剪切負(fù)荷。中間層的含水量為80％，膠原纖維相互交錯(cuò)；深層的含水量最低(65％)，膠原纖維自下而上呈放射狀排列；中間層和深層具有抵抗擠壓負(fù)荷的良好性能，起到保持體液和緩沖的作用。鈣化層是軟骨和軟骨下骨的過渡層，主要功能是將關(guān)節(jié)軟骨結(jié)實(shí)地固定在軟骨下骨之上。

當(dāng)軟骨受到力學(xué)負(fù)荷時(shí)，液相受軟骨內(nèi)部壓力的驅(qū)動(dòng)，在軟骨內(nèi)形成滲透，但是軟骨淺表層的滲透率極低，限制了液相滲出，阻礙了軟骨變形的發(fā)生，在軟骨內(nèi)形成了靜水壓力，能夠分擔(dān)軟骨90-99％的載荷，從而避免產(chǎn)生大變形對軟骨組織造成破壞。由于軟骨面上的載荷被液相分擔(dān)，軟骨固相接觸部分承載的實(shí)際載荷降低，從而大大減少了軟骨間的摩擦。由此可見，液相承載是維護(hù)軟骨正常力學(xué)行為的主要因素、保障軟骨長期摩擦性能的核心。更重要的是人體關(guān)節(jié)的摩擦配副為軟骨-軟骨形式，具有低彈性模量、高可變形性、優(yōu)良的潤滑和抗磨性能，可以有效的減緩沖擊、吸收震蕩、減小關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)承受的沖擊及磨損，因此，人體關(guān)節(jié)才能夠正常運(yùn)行70年以上。

基于天然關(guān)節(jié)軟骨多層定向的孔隙結(jié)構(gòu)，仿生設(shè)計(jì)高強(qiáng)度、低滲透及耐磨損的多層異構(gòu)仿生軟骨材料，是解決人工關(guān)節(jié)磨損和無菌性松動(dòng)問題的最佳選擇，這對于提高關(guān)節(jié)置換者的生命質(zhì)量、推動(dòng)我國的植入假體制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝，通過該方法獲得一種與天然關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)與功能相類似的仿生關(guān)節(jié)軟骨材料，解決人工關(guān)節(jié)的磨損和無菌松動(dòng)的問題。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝，包括如下步驟：

1)以表面活化處理的聚乙烯為基體，采用原位化學(xué)接枝及定向凝固技術(shù)在其表面交聯(lián)內(nèi)部孔隙垂直于基體的pva/ha復(fù)合水凝膠層；

2)利用非定向凝固法錨接內(nèi)部孔隙互嵌的pva/ha/silk復(fù)合水凝膠層；

3)利用定向凝固技術(shù)及退火技術(shù)，在表面構(gòu)筑內(nèi)部孔隙平行于基體的pva/ha/paa復(fù)合水凝膠致密膜；

4)構(gòu)建多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料。

進(jìn)一步的，步驟1)中，聚乙烯表面活化處理的方法為：將分子量為300萬的聚乙烯塊浸泡在重鉻酸氧化溶液中，置于75℃水浴鍋中10min，然后將其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物質(zhì)，取出用去離子水清洗；所述的重鉻酸氧化溶液是由重鉻酸鉀與濃硫酸按質(zhì)量百分比1:4配置而成。

進(jìn)一步的，步驟1)中，所述pva/ha復(fù)合水凝膠層的制備方法為：

1-1)按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇25％、納米羥基磷灰石3％和去離子水72％，在室溫下溶脹24h，接著將容器至于95℃的恒溫水浴鍋中，制備出pva/ha混合溶液；按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇7％、濃硫酸1.5％和去離子水91.5％，按上述步驟制備出接枝溶液；

1-2)將氧化與清洗后的聚乙烯試樣浸入裝有接枝溶液的容器中，置于90℃的恒溫水浴鍋中，攪拌，反應(yīng)2h；

1-3)將pva/ha混合溶液加入到聚乙烯試樣表面，使得pva/ha混合溶液的厚度為0.6mm，將按上述方法處理后的聚乙烯試樣平行置于液氮表面，溶液完全結(jié)晶后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12h，然后在室溫下解凍2-3h，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍9次后，聚乙烯試樣的表面形成第一層具有垂直孔隙結(jié)構(gòu)的pva/ha復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨。

進(jìn)一步的，步驟2)的具體方法為：將制備好的pva/ha/silk溶液加入到步驟1)處理后的聚乙烯試樣表面，使得pva/ha/silk溶液的厚度為0.8mm，然后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12h，然后在室溫下解凍2-3h，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍9次后，聚乙烯試樣的表面形成第二層具有互嵌孔隙的pva/ha/silk復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨。

進(jìn)一步的，所述pva/ha/silk溶液的制備方法為：按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇15％、納米羥基磷灰石3％、蠶絲1％和去離子水81％，在室溫下溶脹24h，接著將容器至于95℃的恒溫水浴鍋中，制備出pva/ha/silk溶液。

進(jìn)一步的，步驟3)中定向凝固技術(shù)的具體方法為：將pva/ha-paa混合溶液加入到步驟2)處理后的聚乙烯試樣表面，使其厚度為0.6mm，然后垂直置于液氮表面，溶液完全結(jié)晶后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12h，然后在室溫下解凍2-3h，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍3次，聚乙烯試樣的表面形成第三層具有平行孔隙結(jié)構(gòu)的pva/ha-paa復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨。

進(jìn)一步的，所述pva/ha-paa混合溶液的制備方法為：按質(zhì)量百分比稱取的聚乙烯醇14％、納米羥基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去離子水80％，室溫下溶脹2-3h；溶脹完成后放入95℃恒溫水浴鍋中加熱溶解，待溶液溶解后將燒杯從水浴鍋中取出，獲得pva/ha-paa混合溶液，置于超聲波中超聲2-3h。

進(jìn)一步的，步驟3)中退火技術(shù)的具體方法為：將采用定向凝固技術(shù)進(jìn)行冷凍-解凍后的試樣浸入盛有聚乙二醇溶液的燒杯中，脫水1-2h，在脫水過程中每隔一定時(shí)間對試樣進(jìn)行稱重，當(dāng)試樣的重量不再發(fā)生變化，取出試樣放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為120℃，退火時(shí)間為1h，退火完成后取出試樣，并用去離子水對試樣進(jìn)行清洗，除去殘余的聚乙二醇溶液；將清洗后的試樣放入去離子水中進(jìn)行再水合，再水合完成后，將制備好的帶有三層仿生關(guān)節(jié)軟骨的聚乙烯試樣放入盛有去離子水的密封袋中保存。

根據(jù)上述工藝制備的多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料，多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)39mpa，摩擦系數(shù)不超過0.1，各層之間的結(jié)合強(qiáng)度大于3mpa。

有益效果：本發(fā)明提供的多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝，由于采用了上述方案，制備出來的多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料與天然關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)、功能相類似，并且各層之間具有很強(qiáng)的結(jié)合能力，不易磨損松動(dòng)、界面潤滑性好、生物活性充足，具有高強(qiáng)度、低滲透、耐磨損的功能，真正實(shí)現(xiàn)了代替軟骨功能，解決了人工關(guān)節(jié)的磨損和無菌松動(dòng)的問題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。

附圖說明

圖1為多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的構(gòu)建方法示意圖；

圖2為多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的定向孔隙示意圖；

圖3為多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的拉伸強(qiáng)度圖；

圖4為多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的摩擦系數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明為一種多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝，屬于仿生材料制備工藝。制備工藝：以表面活化處理的聚乙烯為基體，采用原位化學(xué)接枝及定向凝固技術(shù)在其表面交聯(lián)內(nèi)部孔隙垂直于基體的聚乙烯醇/羥基磷灰石(pva/ha)復(fù)合水凝膠層；然后利用非定向凝固法錨接內(nèi)部孔隙互嵌的聚乙烯醇/羥基磷灰石/蠶絲(pva/ha/silk)復(fù)合水凝膠層；最后利用定向凝固技術(shù)及退火技術(shù)，在表面構(gòu)筑內(nèi)部孔隙平行于基體的聚乙烯醇/羥基磷灰石/聚丙烯酸(pva/ha/paa)復(fù)合水凝膠致密膜，從而構(gòu)建高強(qiáng)度、低滲透及耐磨損的多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料。制備出的仿生軟骨材料與天然軟骨結(jié)構(gòu)、功能相類似，不易磨損松動(dòng)、界面潤滑性好、生物活性充足，一定程度上替代了軟骨的作用。

實(shí)施例1：

如圖1所示，一種多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料制備工藝包括如下步驟：

1)將聚乙烯塊(分子量為300萬)浸泡在重鉻酸氧化溶液中，置于75℃水浴鍋中10min，然后將其置于50℃硝酸溶液中10min，除去氧化后表面形成的小分子物質(zhì)，取出用大量去離子水進(jìn)行清洗；所述的重鉻酸氧化溶液是由重鉻酸鉀與濃硫酸按質(zhì)量百分比1:4配置而成；

2)按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇25％、納米羥基磷灰石3％和去離子水72％置于容器中，在室溫下溶脹24h，接著將容器至于95℃的恒溫水浴鍋中，制備出pva/ha混合溶液；按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇7％、濃硫酸1.5％和去離子水91.5％置于容器，按上述步驟制備出接枝溶液；

3)將氧化與清洗后的聚乙烯試樣浸入裝有接枝溶液的容器中，置于90℃的恒溫水浴鍋中，攪拌，反應(yīng)2h；

4)將制備好的pva/ha混合溶液加入到聚乙烯試樣表面，使得pva/ha混合溶液的厚度為0.6mm，將按上述方法處理后的聚乙烯試樣平行置于液氮表面，使熱量沿著徑向方向傳遞，溶液結(jié)晶同樣沿著徑向，溶液完全結(jié)晶后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12小時(shí)，然后在室溫下解凍2-3小時(shí)，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍9次后，聚乙烯試樣的表面形成第一層具有垂直孔隙結(jié)構(gòu)的pva/ha復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨；

5)按質(zhì)量百分比稱取聚乙烯醇15％、納米羥基磷灰石3％、蠶絲1％和人去離子水81％置于容器中，在室溫下溶脹24h，接著將容器至于95℃的恒溫水浴鍋中，制備出pva/ha/silk溶液；將制備好的pva/ha/silk溶液加入到步驟4)處理后的聚乙烯試樣表面，使得pva/ha/silk溶液的厚度為0.8mm，然后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12小時(shí)，然后在室溫下解凍2-3小時(shí)，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍9次后，聚乙烯試樣的表面形成第二層具有互嵌孔隙的pva/ha/silk復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨；

6)按質(zhì)量百分比稱取的聚乙烯醇14％、納米羥基磷灰石3％、聚丙烯酸溶液3％、去離子水80％，置于燒杯中，室溫下溶脹2-3h；溶脹完成后放入95℃恒溫水浴鍋中加熱溶解，待溶液完全溶解后將燒杯從水浴鍋中取出，獲得pva/ha-paa混合溶液，置于超聲波中超聲2-3h；然后將pva/ha-paa混合溶液加入到步驟5)處理后的聚乙烯試樣表面，使其厚度為0.6mm，主要是要保證三層結(jié)構(gòu)的總厚度為2.0mm，因?yàn)樘烊卉浌谴蠖鄶?shù)的厚度為2mm。，然后垂直置于液氮表面，使熱量沿著垂直方向傳遞，溶液結(jié)晶同樣沿著垂直方向，溶液完全結(jié)晶后置于溫度為-20℃的低溫存儲(chǔ)箱中冷凍10-12小時(shí)，然后在室溫下解凍2-3小時(shí)，之后再放入低溫存儲(chǔ)箱中進(jìn)行冷凍，如此冷凍、解凍3次，聚乙烯試樣的表面形成第三層具有平行孔隙結(jié)構(gòu)的pva/ha-paa復(fù)合水凝膠仿生關(guān)節(jié)軟骨；

7)將冷凍-解凍后的試樣浸入盛有聚乙二醇溶液的燒杯中，脫水1-2h，在脫水過程中每隔一定時(shí)間對試樣進(jìn)行稱重，當(dāng)試樣的重量不再發(fā)生變化，取出試樣放入電阻爐中進(jìn)行退火處理，退火溫度為120℃，退火時(shí)間為1h，退火完成后取出試樣，并用去離子水對試樣進(jìn)行清洗，除去殘余的聚乙二醇溶液；將清洗后的試樣放入去離子水中進(jìn)行再水合，再水合完成后，將制備好的帶有三層仿生關(guān)節(jié)軟骨的聚乙烯試樣放入盛有去離子水的密封袋中保存。

圖2(a)是多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的平行孔隙結(jié)構(gòu)，圖2(b)是多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的垂直孔隙結(jié)構(gòu)，仿生關(guān)節(jié)軟骨材料具有明顯的多層異構(gòu)形態(tài)。圖3是多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的拉伸強(qiáng)度，圖4是多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的摩擦系數(shù)。多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)39mpa，多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料的摩擦系數(shù)隨著載荷增大而增大，但是摩擦系數(shù)不超過0.1，表現(xiàn)出了良好的摩擦性能，多層異構(gòu)仿生關(guān)節(jié)軟骨材料各層之間具有良好的結(jié)合性能，結(jié)合力可達(dá)3mpa以上。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。