[發(fā)明專利]一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910928219.0
• 申請日: 2019-09-28
• 公開（公告）號: CN110565092B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇峰華;李傲松;孫建芳;唐邕濤
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: C23C26/00
• 分類號: C23C26/00;C22C14/00;A61L27/06;A61L27/30;A61L27/34;A61L27/50;A61L27/56;B05D3/00;B05D3/04;B05D7/14;B23K26/352
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;馮振寧

本發(fā)明公開了一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層及其制備方法與應(yīng)用。該方法包括：在鈦合金的表面進行激光加工，得到表面具有仿骨骼多孔織構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦合金；將表面具有仿骨骼多孔織構(gòu)結(jié)構(gòu)的鈦合金進行熱氧化處理，使仿骨骼多孔織構(gòu)結(jié)構(gòu)的表面生成硬質(zhì)TiO₂薄膜，在TiO₂硬質(zhì)薄膜上旋涂聚四氟乙烯乳液，干燥，得到仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層。本發(fā)明從人體關(guān)節(jié)軟骨的多尺度軟/硬結(jié)合組織特性出發(fā)，利用激光加工技術(shù)、熱氧化處理技術(shù)及涂覆技術(shù)，得到具有仿生組織結(jié)構(gòu)特性的功能化涂層。該方法簡單，成本低廉，制備的涂層具有很好的摩擦學(xué)性能及較高的耐磨承載能力，可顯著提高鈦合金在工程領(lǐng)域及人工關(guān)節(jié)領(lǐng)域作為摩擦部件的使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物醫(yī)療材料、材料表面改性及微納制造領(lǐng)域，具體涉及一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著人類社會步入高齡化階段，骨與關(guān)節(jié)損傷成為人們生活中常見的疾病之一。全世界因各類關(guān)節(jié)疾病需接受關(guān)節(jié)置換手術(shù)者高達5000萬人，其中每年需人工髖關(guān)節(jié)置換治療者達100多萬例。但是，人工關(guān)節(jié)置換目前仍存在諸多不如意的問題有待解決，而這些問題都是和關(guān)節(jié)滑動表面的磨損、潤滑等方面的原因息息相關(guān)。如何解決由于關(guān)節(jié)面間的摩擦磨損以及由于磨屑引發(fā)的“磨屑病”等生物相容性問題，是當(dāng)前研究人工關(guān)節(jié)所面臨的挑戰(zhàn)。

鈦合金由于其低密度、高比強度、好的耐蝕性和生物適應(yīng)性等受到了廣泛的關(guān)注，在醫(yī)療和生物機械等領(lǐng)域越來越重要。遺憾的是，鈦合金由于較低的塑性剪切抗力、低加工硬化性及表面形成氧化膜的高脆性，在摩擦接觸應(yīng)力作用下，易發(fā)生粘著磨損和磨粒磨損，具有較差的減摩和抗磨性能，大大限制了鈦合金作為生物醫(yī)學(xué)關(guān)節(jié)的應(yīng)用。為改善鈦合金摩擦性能，研究者們嘗試以仿生思路對其進行表面改性。Ren等(Ren L,Wang T,Chen Z,etal.Self-Lubricating PEO–PTFE Composite Coating on Titanium.Metals,2019,9(2):170.)通過微弧氧化法在鈦合金表面制備了具有多孔結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)TiO₂層，利用浸漬，燒結(jié)等方法將PTFE填充入TiO₂的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)，最終在鈦合金表面得到具有減摩抗磨效果PEO-PTFE復(fù)合涂層。但該方法中，采用的微弧氧化法過程復(fù)雜，使用的電解質(zhì)溶液成本較高，對環(huán)境有污染；并且該方法未以仿生角度對涂層進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，所得復(fù)合涂層雖減摩效果較好，但其承載能力不強。

人體關(guān)節(jié)軟骨組織整體呈現(xiàn)軟/硬結(jié)合的結(jié)構(gòu)，表層軟質(zhì)材料表現(xiàn)出極低摩擦系數(shù)，而底層硬質(zhì)材料提供了極強的承載力，且底部多孔結(jié)構(gòu)增強了軟/硬材料的結(jié)合力，因此對人體關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu)的仿生模擬一直是仿生摩擦學(xué)中的研究熱點。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層及其制備方法與應(yīng)用。

本發(fā)明提供了一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層的制備方法，該制備方法簡單、過程可控、無污染物生成，所制備的仿生功能涂層呈現(xiàn)很好的摩擦學(xué)性能以及較高的耐磨承載能力。

本發(fā)明的目的至少通過如下技術(shù)方案之一實現(xiàn)。

本發(fā)明提供了一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層的制備方法。該方法包括：首先采用激光加工技術(shù)在鈦合金表面成型出仿骨骼的多孔織構(gòu)結(jié)構(gòu)，再通過熱氧化處理在多孔結(jié)構(gòu)鈦合金表面制備出一層二氧化鈦(TiO₂)硬質(zhì)薄膜，再以旋涂方法將聚四氟乙烯(PTFE)乳液均勻涂在多孔TiO₂硬質(zhì)薄膜表面，放入真空干燥箱中干燥，最后在鈦合金表面得到這種具有多孔結(jié)構(gòu)軟硬交替的PTFE/TiO₂復(fù)合功能涂層(所述仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層)，該涂層組織結(jié)構(gòu)類似于人體關(guān)節(jié)軟骨的組織結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供的一種仿生人體關(guān)節(jié)組織結(jié)構(gòu)的功能涂層的制備方法，具體包括如下步驟：