本發(fā)明涉及一種人工關(guān)節(jié)材料，具體涉及一種成分梯度復(fù)合人工關(guān)節(jié)材料，用于提高人工關(guān)節(jié)與宿主骨組織之間的生物固定以及人工關(guān)節(jié)的使用壽命，屬于醫(yī)用材料
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是目前治療骨關(guān)節(jié)炎等疾病最有效的手段,人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)服役時間長(10年以上，甚至可能達30年以上)，服役過程中頭-臼結(jié)構(gòu)相對摩擦運動可達數(shù)千萬次，摩擦導致的磨損不僅僅會使頭-臼結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生改變，最主要的危害是磨損過程中產(chǎn)生各種磨屑會導致炎癥反應(yīng)及假體失效。目前，人工關(guān)節(jié)置換術(shù)采用的關(guān)節(jié)主要為金屬材質(zhì)的關(guān)節(jié)，其耐磨損特性尚有明顯不足。而陶瓷材料具有高硬度、良好的耐磨損特性以及生物相容性。為了減少磨屑的產(chǎn)生，研究者開發(fā)出了陶瓷-陶瓷(coc)類型摩擦配副的人工關(guān)節(jié)，已經(jīng)被成功應(yīng)用于臨床。但是，由于陶瓷材料韌性低，目前臨床應(yīng)用的陶瓷-陶瓷(coc)類型摩擦配副的人工關(guān)節(jié)，存在著脆性斷裂和摩擦噪聲大等缺點，這使得陶瓷關(guān)節(jié)在服役過程中存在較大的安全隱患，會給患者的生活質(zhì)量造成較大影響。另外，人體內(nèi)植入物與宿主骨之間的界面結(jié)合是維持內(nèi)植入物的初期和長期穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，增加骨-植入物假體界面間的骨形成，使人工假體與宿主骨形成牢固的骨整合，從而可達到近，遠期固定的效果，減少假體松動的發(fā)生。金屬關(guān)節(jié)臼杯、金屬股骨柄與宿主骨組織的融合程度，直接影響人工關(guān)節(jié)假體的負載和植入后在體內(nèi)的長期穩(wěn)定性，進而影響人工假體的使用壽命。由于骨骼組織結(jié)構(gòu)與金屬結(jié)構(gòu)存在較大差異，臨床實踐中已意識到該問題，主要通過在關(guān)節(jié)臼外杯和金屬股骨柄表面噴涂羥基磷灰石涂層、鈦合金粉末、生物陶瓷粉、鈦珠燒結(jié)、鈦絲燒結(jié)等方式提高人工假體界面的粗糙度。但臨床顯示：通過上述方法形成的溝槽及粗糙表面對關(guān)節(jié)的“骨長入”效果并不理想，存在與宿主骨骼界面結(jié)合強度低、容易開裂的問題，直接降低了關(guān)節(jié)假體的植入壽命，患者存在二次手術(shù)的潛在風險。近年，通過對鈦材料的化學沉積或燒結(jié)，開發(fā)出一種多孔鈦材料。通過改變多孔鈦的孔隙率，可使多孔鈦成為一種具有良好的生物相容性、生物力學優(yōu)異，且彈性模量接近骨組織的仿生材料。實驗顯示，對多孔鈦孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可使其達到與被替換骨組織近似匹配的力學性能，從而減輕或消除應(yīng)力屏蔽，同時，仿生物運輸通道的結(jié)構(gòu)調(diào)整，可通過連通的三維多孔結(jié)構(gòu)使水分和營養(yǎng)物質(zhì)在植入體內(nèi)部傳輸，促進骨組織向內(nèi)生長形成生物固定，達到人工假體與宿主骨組織融合的功能，從而增強植入人工假體與宿主骨組織之間的界面穩(wěn)定性。但是，仍存在不足，由于有多孔鈦材料孔隙的存在會影響其強度性能，如果在保證其強度要求的情況下，多孔鈦材料的孔隙率對于穩(wěn)定人工假體與宿主骨組織的作用來說遠不能達到滿意程度，而如果提高其孔隙率，則多孔鈦材料的強度不足?；谏鲜鰞?nèi)容，本發(fā)明提出一種成分梯度復(fù)合人工關(guān)節(jié)材料，顯著提高了人工關(guān)節(jié)的使用壽命和與宿主骨組織之間的生物固定性能。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種人工關(guān)節(jié)材料，其分為關(guān)節(jié)摩擦接觸表面、關(guān)節(jié)主體和關(guān)節(jié)與人體接觸表面三部分，其中三部分采用不同成分的材料構(gòu)成。更具體而言，關(guān)節(jié)摩擦接觸表面部分由陶瓷顆粒與鈦合金的復(fù)合材料構(gòu)成，關(guān)節(jié)主體部分由鈦合金構(gòu)成，關(guān)節(jié)與人體接觸表面部分由鈦合金和可降解鎂合金構(gòu)成。通過使用陶瓷顆粒與鈦合金的復(fù)合材料形成關(guān)節(jié)摩擦接觸表面來提高人工關(guān)節(jié)的耐磨損特性，通過使用鈦合金和可降解鎂合金形成與人體接觸表面來提高人工關(guān)節(jié)與宿主骨組織之間的界面穩(wěn)定性，從而解決本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題。本發(fā)明的具體方案為：一種人工關(guān)節(jié)材料，分為關(guān)節(jié)摩擦接觸表面、關(guān)節(jié)主體和關(guān)節(jié)與人體接觸表面三部分，其中關(guān)節(jié)摩擦接觸表面部分由陶瓷顆粒與鈦合金的復(fù)合材料構(gòu)成，關(guān)節(jié)主體部分由鈦合金構(gòu)成，關(guān)節(jié)與人體接觸表面部分由鈦合金和可降解鎂合金構(gòu)成。其中在關(guān)節(jié)摩擦接觸表面部分中，在關(guān)節(jié)摩擦接觸表面至其深度1mm的范圍內(nèi)陶瓷顆粒的體積比為80-95％，且距離關(guān)節(jié)摩擦接觸表面1.5mm處陶瓷顆粒的體積比降至30％以下。其中關(guān)節(jié)與人體接觸表面部分鈦合金和可降解鎂合金的濃度呈梯度變化，優(yōu)選可降解鎂合金出現(xiàn)在關(guān)節(jié)與人體接觸表面至距離該表面5mm或更大的范圍內(nèi)。其中關(guān)節(jié)與人體接觸表面可降解鎂合金的體積濃度最高，優(yōu)選達到30-80％，更優(yōu)選45-65％；距離關(guān)節(jié)與人體接觸表面越遠，可降解鎂合金的體積濃度越低，優(yōu)選，距離關(guān)節(jié)與人體接觸表面最遠處，可降解鎂合金的體積濃度降至10-30％，優(yōu)選15-25％。其中關(guān)節(jié)與人體接觸表面部分的孔隙率為20-50％，優(yōu)選30-40％。其中關(guān)節(jié)主體部分的長度根據(jù)關(guān)節(jié)尺寸進行調(diào)整，其可以不存在，但優(yōu)選存在至少1mm。其中陶瓷顆粒為氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、二氧化硅和/或氧化鈣。其中鈦合金的成分按重量百分比為：al：5.5-6.5，v：3.5-4.5，cu：3-5.5，nd：0.2-1.3，余量為ti和不可避免的雜質(zhì)。其中鎂合金的成分按重量百分比為：ca3.5-6，zr0.1-0.8，zn0.1-2，sn1.5-2.5，余量為mg和不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的人造關(guān)節(jié)材料具有良好的生物相容性，特別是，在鈦合金中加入了有利于促進成骨的cu，在鎂合金中加入了有利于骨生長的ca和促進血管再生的sn和zn，它們共同作用極大的促進了骨組織的生長；可降解鎂合金的使用，在前期保證了人造關(guān)節(jié)的強度，隨著鎂合金的降解，在人造關(guān)節(jié)孔洞中生長的人體骨組織逐漸占據(jù)鎂合金的位置，充分保證了假體與宿主骨界面足夠的結(jié)合強度，有效提高了人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的長期穩(wěn)定性，使人工關(guān)節(jié)與宿主骨組織實現(xiàn)深度融合。同時，關(guān)節(jié)摩擦接觸表面鈦合金和陶瓷顆粒的復(fù)合使用同時保證了人工關(guān)節(jié)的可靠性和耐磨損特性，并且鈦合金中cu離子的釋放，催化人體內(nèi)蛋白分解形成碳薄膜覆蓋在摩擦界面，降低了人工關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)，使摩擦噪聲問題得到解決，并且也進一步降低了人工關(guān)節(jié)的磨損。本發(fā)明的鈦合金是在現(xiàn)有醫(yī)用ti-6al-4v合金的成分基礎(chǔ)上加入cu和nd得到的。其中，cu在使用環(huán)境下能夠從鈦合金表面持久釋放出銅離子，從而賦予鈦合金促進成骨與血管再生的生物功能。如果銅含量低于3％，鈦合金也無法釋放足量的銅離子，因而不具備促進成骨與血管再生的生物功能。如果銅含量高于5.5％，則會導致鈦合金的耐蝕性能及強度的降低，不能滿足使用需求。優(yōu)選的cu含量為4-4.5％。nd能夠在鈦合金中形成析出相，細化鈦合金的晶粒，從而顯著提高鈦合金的強度和耐腐蝕性能，為此需要添加0.2％以上的nd；但nd含量過高，其作用提高不明顯，反而對人體存在安全風險，因此將其含量控制在1.3％以下。nd含量進一步優(yōu)選為0.5-0.8％。本發(fā)明的鎂合金是針對本發(fā)明的應(yīng)用情況特別設(shè)計的。ca、zn和sn都是人體不可缺少的營養(yǎng)元素，zr在鎂合金中的生物相容性也已被證實，因此，隨著鎂合金在人體內(nèi)的自動降級，所釋放的無毒合金元素不會引起生物安全性問題。本發(fā)明添加的ca有助于骨組織的生長，同時還可以提高鎂合金的抗蠕變性能，本發(fā)明中ca的添加量為3.5-6％，更優(yōu)選為4.5-5.5％。zn可以提高合金的強度，本發(fā)明中的zn的添加量為0.1-2％，更優(yōu)選為0.5-1.5％。sn可以提高細化鎂合金的晶粒，提高鎂合金力學性能，更特別是有利于傷口的愈合和骨組織的生長，但sn含量過高會提高鎂合金的耐腐蝕性能，不利于鎂合金的降解。因此，本發(fā)明sn的添加量為1.5-2.5％，更優(yōu)選為1.8-2.2％。zr作為晶粒細化劑，可以顯著提高合金的強韌性，但同時提高合金的耐腐蝕性，不利于鎂合金的降解。因此，本發(fā)明zr的添加量為0.1-0.8％，更優(yōu)選為0.3-0.5％。本發(fā)明的陶瓷顆粒可以為氧化鋯、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、二氧化硅和/或氧化鈣等常用陶瓷生物材料，優(yōu)選為氧化鋯。具體實施方式以下通過實施例來詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案，以下的實施例僅是示例性的，僅能用來解釋和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能解釋為是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制。首先，制備本發(fā)明采用的鈦合金，其成分及測試得到的強度如表1。表1鈦合金成分列表試樣號alvcund抗拉強度(mpa)15.13.85.40.8106525.04.14.51.1115335.03.94.10.5107845.14.03.20.31027p15.04.160.7985p25.13.93.50.1958p35.14.0--910可見，本發(fā)明鈦合金的抗拉強度均超過ti-6al-4v。值得注意的是，如果nd含量低于0.2％，則不足以使鈦合金的強度達到1000mpa以上(參見p2)；另外cu含量過高則會顯著降低鈦合金的強度，如p1，即使nd含量超過0.2％，如果cu含量超過5.5％，也不能保證鈦合金的強度達到1000mpa以上。綜合考慮，本發(fā)明控制cu含量為3-5.5％，nd含量為0.2-1.3％。制備制備本發(fā)明采用的鎂合金，其成分及測試得到的強度和降解速度如表1。表2鎂合金成分列表可見，zr和sn都能顯著提高鎂合金的抗拉強度，但同樣會降低其降解速度，為了保證鎂合金的強度在550mpa以上，降解速度在0.3mm/a以上，本發(fā)明控制zr含量為0.1-0.8％，sn含量為1.5-2.5％。采用2號鈦合金、2號鎂合金以及氧化鋯為原料，制備得到了本發(fā)明的樣品。本發(fā)明的人工關(guān)節(jié)材料可以采用任何常規(guī)的粉末燒結(jié)工藝制備。本文中采用如下工藝：a：原料準備：純度為99.9％、粒度為100nm-30μm的陶瓷顆粒粉末；粒度為200nm-10μm的鈦合金粉末，粒度為1-50μm的鈦合金粉末和粒度為10-100μm的鈦合金粉末；粒度為30-100μm的鎂合金粉末。b：在球磨機中按照需要配置不同比例的混合粉末：混合粉末1：陶瓷顆粒與粒度為200nm-10μm的鈦合金的混合粉末，陶瓷顆粒占混合粉末的體積百分比為80-90％；混合粉末2：陶瓷顆粒與粒度為200nm-10μm的鈦合金的混合粉末，陶瓷顆粒占混合粉末的體積百分比為30-60％；混合粉末3：粒度為10-100μm的鈦合金與鎂合金的混合粉末，鎂合金占混合粉末的體積百分比為30-80％；混合粉末4：粒度為10-100μm的鈦合金與鎂合金的混合粉末，鎂合金占混合粉末的體積百分比為20-50％；混合粉末5：粒度為10-100μm的鈦合金與鎂合金的混合粉末，鎂合金占混合粉末的體積百分比為10-30％；然后將混合粉末3-5分別與明膠成型劑混合成漿料，其中明膠成型劑占漿料的體積百分比為20-50％。c：燒結(jié)根據(jù)所需厚度，將干燥的混合粉末1裝入石墨模具中，壓實；然后裝入混合粉末2，壓實；在氬氣保護下進行熱壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1400℃，燒結(jié)時間為3小時，壓力為10-25mpa，制得人工關(guān)節(jié)的摩擦接觸表面部分。然后在石墨模具中繼續(xù)加入粒度為1-50μm的鈦合金粉末，以5-10mpa的壓力冷壓；繼續(xù)加入粒度為1-50μm的鈦合金粉末，以2-5mpa的壓力冷壓；繼續(xù)加入粒度為10-100μm的鈦合金粉末，以0.2-1mpa的壓力冷壓；在氬氣保護下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1300℃，燒結(jié)時間為3小時。在石墨模具中繼續(xù)加入依次添加混合粉末5、混合粉末4和混合粉末3的漿料，在氬氣保護下進行燒結(jié)，首先在400℃下燒結(jié)20分鐘，除去明膠成型劑，然后升溫至500-600℃燒結(jié)30分鐘，冷卻得到成品。此外，還給可以在得到人工關(guān)節(jié)的摩擦接觸表面部分后，在石墨模具中繼續(xù)加入粒度為1-50μm的鈦合金粉末，使用凸形模具以2-5mpa的壓力冷壓，形成具有人工關(guān)節(jié)外形的中空結(jié)構(gòu)，并且可以根據(jù)需要設(shè)置所需的中空結(jié)構(gòu)的壁厚，在中空結(jié)構(gòu)中加入粒度為1-50μm的鈦合金粉末，以2-5mpa的壓力冷壓。將得到的中間結(jié)構(gòu)，在氬氣保護下進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000℃，燒結(jié)時間為3小時。向石墨模具中的燒結(jié)后的中間結(jié)構(gòu)中繼續(xù)依次添加混合粉末5、混合粉末4和混合粉末3的漿料，在氬氣保護下進行燒結(jié)，首先在400℃下燒結(jié)20分鐘，除去明膠成型劑，然后升溫至500-600℃燒結(jié)30分鐘，冷卻得到成品。采用兩種方式分別制備得到了5組樣品，經(jīng)測試本發(fā)明人工關(guān)節(jié)的強度性能顯著優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的多孔鈦合金。通過植入兔腿骨關(guān)節(jié)實驗表明，骨組織在本發(fā)明人工關(guān)節(jié)的生長速度顯著快于現(xiàn)有技術(shù)的多孔鈦合金。人工關(guān)節(jié)中的鎂合金在2-3個月內(nèi)降解了約30-75％，與宿主骨組織結(jié)合的穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。對于耐磨損性效果，尚待進一步觀察。當前第1頁12