专利名称：：表面纳米与多孔结构的人工髋关节及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种医疗器械
技术领域：
的人工关节及其制备方法，具体是一种表面纳米与多孔结构的人工髋关节及其制备方法。
背景技术：
：钛合金、不锈钢、钴合金等人工关节具有良好的生物相容性、耐蚀性及较好的力学性能等在临床得到了广泛应用。然而由于骨与植入体界面结合不佳、表面磨损及应力遮挡等因素引起的术后关节假体松动，不仅会造成患者疼痛、跛行，还可能需要翻修手术，影响关节使用寿命乃至导致关节置换失败。目前看来，植入体的生物学固定效果不仅取决于材料的生物力学相容性，而且取决于骨与植入假体界面的组织结合。因此，改进假体材料的生物力学相容性、改善人工关节与骨界面的组织相容性，提高植入假体与骨的界面结合，可以有效降低松动发生率，避免置换失败。一般使用的人工髋关节，对于全髋置换包括髋臼假体，股骨头和股骨头柄，对于半髋置换包括股骨头和股骨头柄。近年来，对关节假体表面进行了多种改性，如在假体表面微孔化、采用羟基磷灰石涂层和陶瓷头等，使松动率有所下降，但远没有根本解决，统计数据表明全髋关节置换手术后10-15年仍有超过10%的松动率发生。经对现有技术的检索文献发现，Webster等在《Biomaterials》(生物材料，2000年21期1803-1810页和2004年25期4731-4739页)上发表的"Enhancedfunctionsofosteoblastsonnanophaseceramics(纟内米陶瓷表面提高了成骨细胞的功能)禾口Increasedosteoblastadhesiononnanophasemetals:Ti，Ti6A14VandCoCrMo(纳米金属提高了成骨细胞的黏附:Ti，Ti6A14V，CoCrMo)研究表明纳米材料，如纳米氧化铝、氧化钛能促进成骨细胞的生长，氧化铝晶粒大小降到24纳米时，与成骨细胞的粘结在4小时内提高了50%。纳米粉末冷压块体Ti、Ti6A14V和CoCrMo等都增强了与成骨细胞的结合和粘附能力，经冷压实的纳米钛表面细胞粘附能力明显高于普通钛粉，体现出纳米材料的优良生物学特性。但是，上述材料不具备足够的强度等力学性能无法应用到实际的关节置换中。
发明内容本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种表面纳米与多孔结构的人工髋关节及其制备方法，采用基于严重塑性变形原理制备的大块纳米晶体材料，尤其是具有表面纳米结构的钛合金、不锈钢、钴合金等植入材料，不仅可有效减少植入体与骨的应力遮挡效应，而且能够提高假体与骨的界面结合，有效改善植入假体的松动问题，在生物医学领域具有良好的应用。本发明是通过以下技术方案实现的-本发明所涉及的表面纳米与多孔结构的人工髋关节，其中股骨头柄或/和髋臼与人体组织结合部分表层晶粒尺度为lnm500nm，且具有均匀分布的多孔结构，孔径100nm10ura;从表面向内具有梯度纳米结构，即随与表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增大，直到达到常规未处理状态的尺寸，该梯度纳米层的厚度1iim500um。本发明所涉及的表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，包括如下步骤第一歩，采用表面高能处理技术使人工髋关节获得纳米梯度结构层，表层品粒尺度1nm500nm，随距表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增加，直到未处理状态的尺寸，此纳米梯度结构层随处理的强度而改变，厚度可为lum500um;第二歩，对第一步得到的纳米梯度结构层进行酸处理，在表面获得多孔结构，微孔分布均匀，孔径100nm10tim。所述的人工髋关节可以是纯钛、钛合金、钴合金、不锈钢和钽合金等金属材料，所进行的纳米表面处理针对人工髋关节假体的关节柄部位和髋臼的外表面部分等与人体组织结合的地方。本发明是基于严重塑性变形原理，采用高能表面处理技术对髋关节进行表面纳米化处理实现的。所述采用表面高能处理技术，具体为纳米处理时将人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用高硬度的Al2(M敛粒(直径1100um)或钢丸(直径0.510瞧)等球形颗粒轰击或撞击关节表面，微粒的平均喷射速度为3001000m/s，平均单个微粒轰击的能量为10—'"10—aj，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量为10—4102J。通过处理使关节获得纳米梯度结构层，即从表层向内，晶粒尺寸逐渐由纳米过渡到常规晶粒尺寸，该纳米层厚度l500um，表层纳米尺度1500nm。所述对第一步得到的纳米梯度结构层进行酸处理，具体为采用盐酸对纳米梯度结构层进行处理。本发明的有益效果在于在人工髋关节表面获得了多孔纳米层，表层纳米尺度约为1500nm，并且均匀分布，使其比常规微米级人工髋关节具有更高的硬度及强度。表面纳米层使材料的弹性模量下降，减少了常规人工关节中的应力遮挡等问题。依处理条件不同，纳米层的厚度约1500ym，纳米层与基体间无明显界面层，克服了由表面涂层或沉积其他物质的纳米处理技术所导致的纳米层物质脱落等问题。成骨细胞适宜与纳米结构或纳米表面相互作用，人体骨组织中的无机成分均为纳米结构，如织网骨无机成分晶粒为1050nm，板状骨晶粒尺寸直径方向为25nm，长约2050nm。具有表面纳米结构的人工髋关节的表面晶粒尺度在l500nm之间，表面能增大，有利于吸附蛋白质(如纤维连结蛋白、骨桥接素等)，使成骨细胞在其上的黏附、增殖、代谢、钙化等功能均显著提高。而且本发明制备的纳米表面具有多孔结构，微孔分布均匀，孔径约100nm10ym,使其亲水性提高，更有利于骨长入及人工髋关节与宿主骨之间的结合，提高了其与骨的结合强度，有效避免了假体松动发生，提高了植入器械的可靠性，延长了人工髋关节在人体中的使用寿命。图1为本发明一实施例人工髋关节结构示意图。l为股骨头柄，阴影部分为表面纳米多孔结构。2为髋臼，阴影部分为髋臼外表面与人体组织结合部分，系表面纳米多孔结构。图2为实施例3，4，7，8进行体外细胞培养2小时后成骨细胞的黏附情况。图3为实施例3，4，7，8进行体外细胞培养14天后成骨细胞的钙化情况。具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案6为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。如图l所示，本实施例涉及的表面纳米与多孔结构的人工髋关节，其股骨头柄1和髋臼2与人体组织结合部分表层晶粒尺度1500nm，且具有均匀分布的多孔结构，孔径100nm10ixm;从表面向内具有梯度纳米结构，即随与表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增大，直到达到常规未处理状态的尺寸，该梯度纳米层的厚度l500um。这是适用于全髋置换的人工髋关节。对于半髋置换的人工髋关节，只在股骨头柄1与人体组织结合部分具有梯度纳米结构。以下提供表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法的实施例。实施例1:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用A1A微粒(直径lum)轰击关节表面，八1203的平均喷射速度为300m/s，平均单个微粒轰击的能量约10"，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约500rnn，纳米层厚度约1ym。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nmlOym，微孔分布均匀。实施例2:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用A1A微粒(直径10um)轰击关节表面，A1A的平均喷射速度为500ra/s，平均单个微粒轰击的能量约10—'J,使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约lOOnm，纳米层厚度约IOpm。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10um，微孔分布均匀。实施例3:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用A1A微粒(直径20um)轰击关节表面，AU)3的平均喷射速度为500m/s，平均单个微粒轰击的能量约10—6J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约80nm，纳米层厚度约50um。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10um，微孔分布均匀。实施例4:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用Al^微粒(直径50um)轰击关节表面，AU)3的平均喷射速度为700m/s，平均单个微粒轰击的能量约10,，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约20nm，纳米层厚度约100ym。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10iim，微孔分布均匀。实施例5:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用Al^微粒(直径80um)轰击关节表面，Al20:;的平均喷射速度为800m/s，平均单个微粒轰击的能量约10—'J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约lOnm，纳米层厚度约200um。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10um，微孔分布均匀。实施例6:将钛合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用A1A微粒(直径100nm)轰击关节表面，Al必的平均喷射速度为1000m/S，平均单个微粒轰击的能量约10"J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约lnm，纳米层厚度约500ym。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nra10nm，微孔分布均匀。8实施例7:将纯钛人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用钢球(直径500um)撞击关节表面，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量约为10—610—3J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约100nm，纳米层厚度约10um。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nmlOum，微孔分布均匀。实施例8:将钴合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用钢球(直径2rnm)撞击关节表面，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量约为10—410—^，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约50nrn，纳米层厚度约30ym。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10ym，微孔分布均匀。实施例9:将不锈钢人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用钢球(直径5mm)撞击关节表面，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量约为10—:i3J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约lOnm，纳米层厚度约100lim。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100railOum，微孔分布均匀。实施例10:将钽合金人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转。采用钢球(直径lOmm)撞击关节表面，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量约为10—2100J，使其获得梯度纳米结构，表面晶粒尺寸约10nm，纳米层厚度约200um。然后采用盐酸对纳米表面进行处理，使表面呈多孔结构，孔径约100nm10um，微孔分布均匀。将本发明实施例110进行体外成骨细胞培养试验，并采用相应的常规样品作对照，采用人成骨细胞存活率、黏附、增殖、分化、钙化、基因表达等指标评定其生物相容性，结果表明本发明的具有表面纳米结构的人工髋关节对细胞没有毒害作用，细胞的黏附、增殖及钙化程度较相同条件下的常规样品均有明显提高，显示出具有良好的生物相容性。图2为对实施例3，4，7，8进行体外细胞培养2小时后成骨细胞的黏附情况，黑色柱为实施例材料，白色柱为相应对照组材料，由图可见，可显著提高对成骨细胞的黏附。图3为对实施例3，4，7，8进行体外细胞培养14天后成骨细胞的钙化情况，黑色柱为实施例材料，白色柱为相应对照组材料，由图可见，本实施例处理后的髋关节使成骨细胞的钙化显著增强。将本发明实施例110植入动物股骨髓腔中，进行生物活体试验。在植入后1、2、3、6个月化验肝肾功、微量元素含量，取植入材料和周围组织标本采用荧光显微镜、扫描电镜、透射电镜及拔出试验等分析其与骨组织结合情况，结果表明其具有表面纳米结构的人工髋关节在动物体中无不良组织反应，能够诱导植入体表面矿化沉积，提高其与骨的结合强度，促进植入体与骨组织整合。表1列出了将实施例3，4，7，8植入动物故骨髓腔1个月后的拔出力实验结果。与相应对照组相比，采用本发明方法的实施例组在植入一定时间后与宿主骨的结合强度明显增强。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>权利要求1、一种表面纳米与多孔结构的人工髋关节，其特征在于股骨头柄或/和髋臼与人体组织结合部分表层晶粒尺度为1nm～500nm，且具有均匀分布的多孔结构；从表面向内具有梯度纳米结构，随与表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增大，直到达到常规未处理状态的尺寸，该梯度纳米层的厚度1μm～500μm。2、根据权利要求1所述的表面纳米与多孔结构的人工髋关节，其特征是，所述多孔结构，其孔径为100nm10ym。3、一种表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，其特征在于，包括如下步骤第一步，采用表面高能处理技术使人工髋关节获得纳米梯度结构层，表层晶粒尺度1nm500nm，随距表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增加，直到未处理状态的尺寸，此纳米梯度结构层厚度为lym500ym，所进行的纳米表面处理针对人工髋关节假体的关节柄部位和/或髋臼的外表面部分与人体组织结合的地方；第二步，对第一歩得到的纳米梯度结构层进行酸处理，在表面获得多孔结构，微孔分布均匀，孔径100nm10um。4、根据权利要求3所述的表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，其特征是，第一步所述的采用表面高能处理技术，具体为纳米处理时将人工髋关节固定安装在加工机械上，并进行旋转，采用球形颗粒轰击或撞击关节表面，微粒的平均喷射速度为3001000m/s，平均单个微粒轰击的能量为10—'°10—2J，钢丸的发射速度为3100m/s，单个丸粒瞬时撞击的能量为10—4102J，通过处理使关节获得纳米梯度结构层，即从表层向内，晶粒尺寸逐渐由纳米过渡到常规晶粒尺寸，该纳米层厚度1500um，表层纳米尺度1500nm。5、根据权利要求4所述的表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，其特征是，所述球形颗粒，是指直径为lum100um的A1A微粒，或直径0.5mm10mm的钢丸。6、根据权利要求3所述的表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，其特征是，所述对第一步得到的纳米梯度结构层进行酸处理，具体为采用盐酸对纳米梯度结构层进行处理。7、根据权利要求3所述的表面纳米与多孔结构的人工髋关节的制备方法，其特征是，所述的人工髋关节是纯钛、钛合金、钴合金、不锈钢或钜合金金属材全文摘要本发明涉及一种医疗器械
技术领域：
的表面纳米与多孔结构的人工髋关节及其制备方法。所述人工髋关节，其股骨头柄或/和髋臼与人体组织结合部分表层晶粒尺度为1nm～500nm，且具有均匀分布的多孔结构；从表面向内具有梯度纳米结构，随与表面距离增加，晶粒尺寸逐渐增大，直到达到常规未处理状态的尺寸，该梯度纳米层的厚度1μm～500μm。制备方法采用表面高能处理技术使人工髋关节获得纳米梯度结构层，然后对纳米梯度结构层进行酸处理，在表面获得多孔结构，获得所述的人工髋关节。本发明不仅可有效减少植入体与骨的应力遮挡效应，而且能提高假体与骨的界面结合，有效改善植入假体的松动问题，在生物医学领域具有良好的应用。文档编号A61L27/06GK101496749SQ20091004704公开日2009年8月5日申请日期2009年3月5日优先权日2009年3月5日发明者张小农,赵常利申请人:上海交通大学