CN107485469B - 一种低磨损的膝关节胫骨衬垫假体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低磨损的膝关节胫骨衬垫假体，其由胫骨衬垫假体本体和亲水性涂层组成。胫骨衬垫假体本体优选地采用高分子材料，如聚醚醚酮材料、超高分子量聚乙烯材料，也可以采用生物陶瓷材料。亲水性涂层成型后是无色透明固体或乳白色半透明固体，覆于胫骨衬垫假体本体的外表面上。将人工膝关节胫骨衬垫假体摩擦表面涂覆一层所述亲水性涂层，并将假体植入到人体后，形成光滑的生物膜，即形成低磨损甚至无磨损的摩擦界面，从而极大降低了磨损，延长了膝关节胫骨衬垫假体的使用寿命，提高了患者的生活质量。

Description

一种低磨损的膝关节胫骨衬垫假体

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言，涉及一种低磨损的膝关节胫骨衬垫假体。

背景技术

人工膝关节假体在植入到人体之后，其使用寿命在很大程度上取决于假体界面的摩擦磨损性能。界面摩擦具体包括：干摩擦、边界摩擦和浸润摩擦，其中浸润摩擦的磨损率最低。提高人工膝关节假体的使用寿命，最理想的方式就是使摩擦界面在寿命期内长期处于浸润摩擦状态。

当今的人工膝关节假体中股骨髁假体与胫骨衬垫假体之间采用的是干摩擦的形式，摩擦界面间设计成一定的间隙，用于容纳组织液或者血液，其目的是使摩擦界面达到边界摩擦或者浸润摩擦的效果。但是，无论采用陶瓷/金属对聚乙烯、陶瓷对陶瓷、金属对金属中任一种配对方式，都没有办法完全使摩擦副处于完全浸润状态。

发明内容

本发明的一个目的是为了降低人工膝关节假体摩擦界面的磨损，延长人工膝关节假体的使用寿命，提高患者的生活质量。

本发明创造性地提出将亲水性涂层应用到人工假体表面。亲水性涂层是具有良好生物相容性的一种材料，在介入医疗领域得到了广泛的应用。当亲水性涂层与组织液或血液接触时，亲水性涂层上的亲水基团与水结合并迅速溶涨，形成类似泥鳅身体表面的生物膜，使得摩擦界面长期处于浸润状态，从而实现低磨损的功能，进一步达到延长关节假体使用寿命的效果。

本发明的一方面提供了一种膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，包括胫骨衬垫假体本体和亲水性涂层，所述亲水性涂层覆于所述胫骨衬垫假体本体的外表面上。

在一些实施方式中，所述胫骨衬垫假体本体可以由高分子材料、生物陶瓷材料或金属材料构成。

进一步地，所述胫骨衬垫假体本体的材料可以由选自聚醚醚酮材料、超高分子量聚乙烯材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、钴铬钼合金材料或钛合金材料的一种或多种材料构成。

在一些实施方式中，所述亲水性涂层由亲水性涂层组合物形成，所述亲水性涂层组合物包括选自水溶性聚合物和/或水不溶性聚合物中的一种或多种聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水溶性聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水不溶性聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水溶性聚合物和一种或多种水不溶性聚合物的混合物。

进一步地，所述水溶性聚合物可以选自聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚醚乙烯醇、聚醚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮。

进一步地，所述水不溶性聚合物可以选自聚氨酯、聚酯氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯。

在一些实施方式中，所述亲水性涂层组合物可以包括聚乙烯吡咯烷酮和聚氨酯。

在一些实施方式中，所述亲水性涂层组合物可以包括聚环氧乙烷。

在一些实施方式中，所述亲水性涂层初期亲水角≤10°，持续亲水角≤20°

在一些实施方式中，所述亲水性涂层的厚度可以是1μm～10μm。

本发明的另一方面提供了一种制备上述膝关节胫骨衬垫假体的方法，包括以下步骤：(1)形成膝关节胫骨衬垫假体本体；(2)用亲水性涂层组合物涂覆膝关节胫骨衬垫假体本体的外表面；(3)使亲水性涂层组合物固化形成亲水性涂层。

在一些实施方式中，步骤(2)中所述亲水性涂层组合物可以完全涂覆膝关节胫骨衬垫假体本体的外表面，也可以部分涂覆膝关节胫骨衬垫假体本体的外表面。

在一些实施方式中，步骤(1)中可以通过选自铸造成型、锻造成型、注塑成型、机加工成型、烧结成型、3D打印成型的一种或多种成型方法形成所述膝关节胫骨衬垫假体本体。在一些实施方式中，步骤(2)中可以通过选自喷涂、旋涂、浸涂、刷涂、气相沉积波峰法、超声涂覆法等的一种或多种涂覆方法将所述亲水性涂层组合物涂覆在膝关节胫骨衬垫假体本体的外表面。

在一些实施方式中，步骤(3)中可以通过选自高温固化成型、紫外光固化成型或常温固化成型的一种或多种固化成型方式使所述亲水性涂层组合物固化形成亲水性涂层。

附图说明

附图仅用于解释和说明的目的，不应被认为是对本发明的限制。

图1为根据本发明的一种膝关节胫骨衬垫假体的示意图。1-胫骨衬垫假体本体，2-亲水性涂层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明并不限于如下实施方案。

本发明中所用的术语“假体”在医学上也称修复体，是一种替代人体某个肢体、器官或组织的医疗器械。

本发明中所用的术语“亲水角”是指液滴立于平面所形成的角度称接触角，也称为亲水角。亲水角越小，亲水性越好；反之，亲水角越大，则亲水性越差。

本发明中所用的术语“初期亲水角”是指即涂覆有亲水性涂层的产品，首次使用与液体接触时，形成的亲水角度。

本发明中所用的术语“持续亲水角”是指即涂覆有亲水性涂层的产品已经处于长期的液体环境中，其亲水性能会存在一定程度的下降，此时所形成的稳定亲水角度。

本发明中所用的术语“胫骨衬垫假体本体”是指常规膝关节置换术中胫骨衬垫植入物，参见例如图1。

本发明中所用的术语“亲水性涂层”是指由亲水性涂层组合物材料(例如包括聚乙烯吡咯烷酮等)形成的具有亲水性的涂层。这类材料通常带有极性基团，对水有较大的亲和能力，可以吸引水分子，从而使得涂层的表面被水所润湿。

在本发明中，术语“高分子材料”、“高分子聚合物材料”、“聚合物材料”含义相同，可互换使用。

在本发明中，术语“组合物”既可以包括两种或更多种组分，在某些情况下也可以仅包括一种组分。

所述胫骨衬垫假体本体可以由高分子材料、生物陶瓷材料或金属材料构成。在优选实施方式中，所述胫骨衬垫假体本体优选为由高分子材料构成，其中所述高分子材料可以是聚醚醚酮材料、超高分子量聚乙烯材料，这些材料应符合医疗器械行业标准的规定，如聚醚醚酮材料符合标准YY/T 0660，超高分子量聚乙烯材料符合YY/T0811。当胫骨衬垫假体本体由高分子材料构成时，亲水性涂层的附着性能更强，从而提高亲水性涂层的耐久性。

所述胫骨衬垫假体本体还可以由生物陶瓷材料构成，其中所述生物陶瓷材料可以是氧化铝基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料等，这些材料应符合医疗器械行业标准的规定，如氧化铝基陶瓷材料符合标准ISO 6474，氧化锆基陶瓷材料符合ISO 13356。

所述胫骨衬垫假体本体还可以由金属材料构成，其中所述金属材料可以是钴铬钼合金材料、钛合金材料等，这些材料应符合医疗器械行业标准的规定，如钴铬钼合金材料符合标准YY 0605.12，钛合金材料符合YY 0117.1。

所述胫骨衬垫假体本体可以通过选自铸造成型、锻造程序、注塑成型、机加工成型、烧结成型、3D打印成型的一种或多种成型方法形成。

本发明的亲水性涂层可以是一种无色透明固体或乳白色半透明固体，覆于胫骨衬垫假体本体的外表面上(参见图1)，该表面与人工膝关节假体中的股骨髁假体接触，所以亲水性涂层的结构形态和面积大小决定于胫骨衬垫假体本体的摩擦界面的设计。因此，本发明的亲水性涂层可以完全涂覆胫骨衬垫假体本体的外表面，也可以部分涂覆胫骨衬垫假体本体的外表面。

所述亲水性涂层的厚度为1μm～10μm，优选为2μm～8μm，更优选为4μm～6μm，最优选为5μm。所述亲水性涂层具有初期亲水角≤10°，持续亲水角≤20°。亲水角定义：液滴立于平面所形成的角度称接触角，也称为亲水角。亲水角越小，亲水性越好；亲水角越大，亲水性越差。所谓初期亲水角：即涂覆有亲水涂层的产品，首次使用与液体接触时，形成的亲水角度。所谓持续亲水角：即涂覆有亲水涂层的产品已经处于长期的液体环境中，其亲水性能会存在一定程度的下降，此时所形成的稳定亲水角度。初期亲水角必然大于持续亲水角，两者的差值越小，表面持续的亲水性能越好，摩擦界面的摩擦性能越稳定，产生的磨损会越少。

所述亲水性涂层由亲水性涂层组合物形成。本发明的亲水性涂层组合物包括选自水溶性聚合物和/或水不溶性聚合物中的一种或多种聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水溶性聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水不溶性聚合物。

进一步地，所述亲水性涂层组合物可以包括一种或多种水溶性聚合物和一种或多种水不溶性聚合物的混合物。

在本发明中，所述水溶性聚合物又称水溶性树脂或水溶性高分子，是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶解或溶胀而形成溶液和分散液。能用于本发明的水溶性聚合物包括但不限于例如聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚醚乙烯醇、聚醚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮等。在本发明中，所述水溶性聚合物可单独使用，也可以一种或多种水溶性聚合物相混合使用。本发明中优选使用的水溶性聚合物包括聚环氧乙烷和聚乙烯吡咯烷酮，特别优选的是聚乙烯吡咯烷酮。

在本发明中，所述水不溶性聚合物又称非水溶性聚合物或脂溶性聚合物，是一种疏水性的高分子材料，在水中不能溶解或溶胀，一般能溶于常规有机溶剂。能用于本发明的水不溶性聚合物包括但不限于聚氨酯、聚酯氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯等。在本发明中，所述水不溶性聚合物可单独使用，也可以一种或多种水不溶性聚合物相混合使用。

在本发明中，一种或多种水溶性聚合物和一种或多种水不溶性聚合物可以相混合使用，例如在一个实施方式中，本发明的亲水性涂层组合物包括聚乙烯吡咯烷酮和聚氨酯。在本发明的亲水性涂层组合物中，水溶性聚合物与水不溶性聚合物的比例按重量份计可以为10:1至1:10，5:1至1:5，3:1至1:3，2:1至1:2，或1:1。本发明的亲水性涂层组合物中还可以包括水，例如经过灭菌处理的蒸馏水、去离子水等等。

在本发明的亲水性涂层组合物中，聚合物组分和水的比例按重量份计为20:1至10:1，优选为18:1至12:1，更优选为16:1至14:1，最优选为15:1。

亲水性涂层组合物可以通过选自喷涂、旋涂、浸涂、刷涂、气相沉积波峰法、超声涂覆法等的一种或多种涂覆方法将所述亲水性涂层组合物涂覆在膝关节胫骨衬垫假体外表面。

在一些实施方案中，亲水性涂层的加工成型可以是在十万级或万级的洁净环境中成型的，在成型前是一种无色透明的液体。在涂覆过程中，将胫骨衬垫假体本体不需要涂覆的部分使用塑料薄膜或专用工装进行包裹保护，将需要涂覆的部位外露。液体状的亲水性涂层置于一个容积合适的容器中，将包裹好的胫骨衬垫假体本体浸入到该容器中，浸泡时间优选地为5分钟～10分钟，然后将胫骨衬垫假体本体置于空气中晾晒，晾晒时间优选地为30分钟～60分钟，晾晒后继续浸泡，重复上述操作步骤2～5次，然后进行固化。

亲水性涂层组合物可以通过选自高温固化成型、紫外光固化成型或常温固化成型的一种或多种固化成型方式固化形成亲水性涂层。采用高温固化的方式时，固化温度优选地为60℃～80℃，固化时间优选地为2小时～4小时。采用紫外光固化的方式时，固化时间为10分钟～30分钟，紫外光波长范围为200nm～450nm，优选的为350nm～400nm。采用常温固化的方式时，固化时间为8小时～10小时。

本发明的胫骨衬垫假体本体之所以可以采用各种不同的材料，是因为当其表面具有亲水性涂层时，会将传统的人工膝关节假体的摩擦副用生物膜隔离开，从而对摩擦副之间的材料配伍的要求显著降低，甚至不再具有材料配伍的要求。

在本发明的一些具体实施方案中，将人工膝关节胫骨衬垫假体摩擦表面涂覆一层亲水性涂层，在将假体植入到人体后，形成光滑的生物膜，形成了一种低磨损甚至无磨损的摩擦界面，从而极大的降低了磨损，延长了膝关节假体的使用寿命，提高了患者的生活质量。

在本发明的一些具体实施方案中，通过亲水性涂层成分的优选以及制备工艺参数的设计，使得人工膝关节胫骨衬垫假体与亲水性涂层良好结合覆盖，并且使得亲水性涂层更容易适应体内环境，快速形成光滑牢固的生物膜。

在本发明中所使用的物料配比，如无特殊说明，均以重量份计。

实施例

实施例1 胫骨衬垫假体本体的形成

如图1所示，胫骨衬垫假体本体1采用铸造钴铬钼合金材料，首先采用铸造成型，然后采用常规的数控加工方式成型，并采用常规的检测方法检测。

实施例2 亲水性涂层的形成

亲水性涂层组合物的配方如下：

聚乙烯吡咯烷酮：15重量份，购自BASF，

90F，PVP K90；

水：1重量份。

将以上组分混合并搅拌均匀得到本发明的亲水性涂层组合物。

亲水性涂层2的涂覆固化是在十万级的洁净环境中进行，在固化前是一种无色透明的液体。在涂覆过程中，将胫骨衬垫假体本体1不需要涂覆的部分使用覆盖工装进行包裹保护，将需要涂覆的部位外露。将液体状的亲水性涂层组合物置于合适的容器中，将包裹好的胫骨衬垫假体本体1浸入到该容器中，浸泡时间为10分钟，然后将胫骨衬垫假体本体1取出并置于空气中晾晒，晾晒时间为60分钟，晾晒后再次浸泡，重复上述操作步骤5次，然后进行固化。采用紫外光固化的方式，固化时间为25分钟。

亲水性涂层组合物固化后形成的亲水性涂层2是一种乳白色半透明固体，覆于胫骨衬垫假体本体1的外表面上，该表面与人工膝关节假体中的股骨髁假体接触。

固化形成的亲水性涂层2的厚度为5.5μm，测量得到的初期亲水角为8°，通过1周的浸润使用，测得的持续亲水角为10°。

实施例3 膝关节胫骨衬垫假体性能测试

将实施例2中制得的涂覆有亲水涂层的胫骨衬垫假体使用专业的摩擦磨损试验机进行摩擦磨损测试，按照标准ISO 14243-1进行参数设置，使用质量法进行磨损量的测量。结果显示未检出磨损颗粒，从而表明亲水涂层在使用过程中未被破坏，并且成功的形成了水膜，在股骨髁假体和胫骨衬垫假体间形成了一层润滑液膜，使得该摩擦副处于浸润摩擦的状态，从而实现了理论上预期的零磨损，具有安全、可靠的实用价值。

本发明的实施例将人工膝关节胫骨衬垫假体摩擦表面涂覆一层亲水性涂层，通过亲水性涂层成分的优选以及制备工艺参数的设计，使得人工膝关节胫骨衬垫假体与亲水性涂层良好结合覆盖，并且使得亲水性涂层更容易适应体内环境，快速形成光滑牢固的生物膜。形成了一种低磨损甚至无磨损的摩擦界面，从而极大的降低了磨损，延长了膝关节假体的使用寿命，提高了患者的生活质量。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，包括胫骨衬垫假体本体和亲水性涂层，所述亲水性涂层覆于所述胫骨衬垫假体本体的外表面上；

所述亲水性涂层由亲水性涂层组合物形成，所述亲水性涂层组合物包括选自水溶性聚合物和水不溶性聚合物中的多种聚合物，所述水溶性聚合物与所述水不溶性聚合物的比例按重量份计为10:1至1:10；

所述亲水性涂层组合物中还包括水，聚合物组分和水的比例按重量份计为20:1至10:1；

所述亲水性涂层具有初期亲水角≤10°，持续亲水角≤20°。

2.如权利要求1所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述胫骨衬垫假体本体采用高分子材料、生物陶瓷材料或金属材料。

3.如权利要求2所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述胫骨衬垫假体本体的材料是选自聚醚醚酮材料、超高分子量聚乙烯材料、氧化铝基陶瓷材料、氧化锆基陶瓷材料、钴铬钼合金材料或钛合金材料的一种或多种。

4.如权利要求1所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述水溶性聚合物选自聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚醚乙烯醇、聚醚乙酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮。

5.如权利要求1所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述水不溶性聚合物选自聚氨酯、聚酯氨基甲酸酯、聚醚氨基甲酸酯。

6.如权利要求1所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述亲水性涂层组合物包括聚乙烯吡咯烷酮和聚氨酯。

7.如权利要求1所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述亲水性涂层组合物包括聚环氧乙烷。

8.如权利要求1-7中任一项所述的膝关节胫骨衬垫假体，其特征在于，所述亲水性涂层的厚度是1μm～10μm。

9.制备如权利要求1-8中任一项所述的膝关节胫骨衬垫假体的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)形成膝关节胫骨衬垫假体本体；(2)用亲水性涂层组合物涂覆膝关节胫骨衬垫假体本体的外表面；(3)使亲水性涂层组合物固化形成亲水性涂层。

Images