一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体制造技术

本发明专利技术提供了一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，包括水凝胶膝关节植入假体本体，其外轮廓、厚度和表面弧度均由紫外激光刻蚀去除通用型水凝胶块而得到；假体本体的上表面设置有由激光刻蚀而形成的微沟壑和微凸起；下表面设置有10微米数量级的微坑结构，所述微坑结构包括若干个周期排列的圆形微坑或多边形微坑；上表面的微沟壑、微凸起和下表面的微坑经激光刻蚀形成的表面具有不同的孔隙率。本发明专利技术利用短波长激光刻蚀水凝胶表面形成不同的微结构，实现异面不同粘附摩擦性能，同面不同区域摩擦系数调控；同时兼具防污、促进细胞附着与增加使用寿命等特点，极大的提升了软骨的摩擦学性能与在复杂环境中使用的适应性。适应性。适应性。

【技术实现步骤摘要】
一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体


[0001]本专利技术属于水凝胶整形领域，具体涉及一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体。
技术背景
[0002]水凝胶是一种由亲水高分子通过化学或物理交联形成的三维网状聚合物，水凝胶内高分子链上亲水基团与水分子通过氢键作用，将水分子连接在网络内部，而疏水官能团则会遇水膨胀；这使得水凝胶具有与天然软骨相似的多孔、亲水和摩擦学性能等特点，是关节软骨的完美替换材料；同时，水凝胶具有与细胞外基质三维微环境相似的理化特性：具有良好的生物相容性，可实现对细胞行为和组织功能的调控。由于其与天然软骨相似的摩擦学性能成为了关节软骨的完美替代材料。
[0003]水凝胶在交联前处于流动状态，宏观形貌与表面微观形貌往往通过模具成型；一旦成型，由于其软物质与低相变温度特性，传统机械加工方法难以进行二次加工；并且模具制造费用非常高，由于人骨骼与软骨形状先天差异，模具不得不进行单独定制，这导致制造成本极大地增加。此外，由于关节软骨工作环境的需要，同一块水凝胶往往要面对不同的材料摩擦基底以及渐变的接触应力，这使得水凝胶很难应用于复杂工作环境中。在摩擦学研究中，无论是硬质材料还是软质材料，表面拓扑结构对摩擦力与粘附效果的调控均起到了重要影响。然而，水凝胶前驱液流动性差，通过模具成型的表面微观形貌规整程度以及复现性较差，难以达到预想的摩擦应力调控效果。此外，移植入人体的材料不可避免的与人体内部体液环境接触，体液中蛋白质、生物因子与细胞会在材料表面附着、聚集并且分泌其他代谢产物在材料表面，造成进一步污染，产生细菌炎症、免疫排斥与假体摩擦性能调控异常等不良反应。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，该水凝胶膝关节植入假体基于短波长激光刻蚀进行宏观形貌修整与微结构区域化制备而成，能够解决现有水凝胶模具定制成本高和水凝胶假体适用场景单一的问题。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，包括水凝胶膝关节植入假体本体，所述水凝胶膝关节植入假体本体的外轮廓、厚度和表面弧度均由紫外激光刻蚀去除通用型水凝胶块而得到；
[0007]所述通用型水凝胶块是将水凝胶前驱液浇筑到通用模具中，再通过交联反应而获得；
[0008]所述水凝胶膝关节植入假体本体的上表面设置有由激光刻蚀而形成的微结构；所述上表面指朝向关节腔的面；所述微结构包括微沟壑和微凸起，所述微沟壑宽度为1
‑
5微米，微沟壑与外界连通，所述微凸起呈四棱台突出状，四棱台边长为80
‑
120微米，棱台高度
为1
‑
5微米，微结构周期为81
‑
125微米；
[0009]所述水凝胶膝关节植入假体本体的下表面设置有由激光刻蚀而形成的10微米数量级的微坑结构，所述微坑结构包括若干个周期排列的圆形微坑或多边形微坑，在与半月板接触摩擦的区域的微坑尺寸要大于与髌骨接触摩擦的区域的微坑尺寸；所述下表面是指背向关节腔的面；不同形状的微坑具有不同的摩擦系数，摩擦系数靠微坑结构的形状和尺寸参数的组合来调节；
[0010]所述水凝胶膝关节植入假体本体上表面的微沟壑、微凸起和下表面的微坑经激光刻蚀形成的表面具有不同的孔隙率。
[0011]与现有膝关节假体相比，本专利技术具有以下优点：
[0012](1)基于激光选择性制备形性调控微结构的水凝胶植入假体，利用短波长激光单光子能量高的特性，在加工水凝胶的过程中，可以直接打断表面材料的化学键，使得材料中的原子及原子团簇与材料本体发生分离，实现定向去除目的；并且整个加工过程中产生热量较小，水凝胶不会发生相变。水凝胶在通用模具内成型，再通过大功率多次扫描，对水凝胶宏观形貌进行修整以适应软骨尺寸与形状的个异性，有效的避免了模具的定制化带来的成本增加。
[0013](2)本专利技术利用短波长激光刻蚀水凝胶表面形成不同的微结构，实现异面不同粘附摩擦性能，同面不同区域摩擦系数调控；同时兼具防污、促进细胞附着与增加使用寿命等特点；极大的提升了软骨的摩擦学性能与在复杂环境中使用的适应性。
附图说明
[0014]图1为激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体的微坑结构示意图；
[0015]图2为激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体的结构图；
具体实施方式
[0016]本专利技术提供了一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，包括水凝胶膝关节植入假体本体，所述水凝胶膝关节植入假体本体的外轮廓、厚度和表面弧度均由紫外激光刻蚀去除通用型水凝胶块而得到；
[0017]所述通用型水凝胶块是将水凝胶前驱液浇筑到通用模具中，再通过交联反应而获得；所述通用模具可以为任意形状，比如可以为长方体凹槽等。
[0018]所述水凝胶膝关节植入假体本体的上表面(朝向关节腔的面)设置有由激光刻蚀而形成的微结构；所述微结构包括微沟壑和微凸起，所述微沟壑宽度为1
‑
5微米，微沟壑与外界连通，所述微凸起呈四棱台突出状，四棱台边长为80
‑
120微米，棱台高度为1
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5微米，微结构周期为81
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125微米。
[0019]所述水凝胶膝关节植入假体本体的下表面(背向关节腔的面)设置有由激光刻蚀而形成的10微米数量级的微坑结构，所述微坑结构包括若干个周期排列的圆形微坑或多边形微坑，在与半月板接触摩擦的区域的微坑尺寸要大于与髌骨接触摩擦的区域的微坑尺寸。不同形状的微坑具有不同的摩擦系数，摩擦系数的调节方式主要靠微坑结构的形状和尺寸参数的组合。
[0020]图1所示为微坑结构示意图，图中与半月板接触摩擦的区域的圆形微坑半径为
74.2微米，与髌骨接触摩擦的区域的圆形微坑半径为49微米，微坑间距为200微米，上述微坑结构由紫外激光在能量密度510J/cm2、光斑重叠率84.1％与5微米扫描间距的激光参数下逐行来回扫描形成。
[0021]经测量，在光滑水凝胶表面的摩擦剪切应力约200Pa，半径为49微米的微圆坑表面表面摩擦剪切应力约约150Pa，而半径为74.2微米的微圆坑表面摩擦剪切应力约60Pa。
[0022]膝关节软骨同时与半月板和髌骨接触摩擦，微坑结构的不同可以改变微坑内流体对摩擦界面的润滑性能，使得磨损剧烈的接触区域摩擦力减小，从而增加人工软骨摩擦界面的使用寿命。
[0023]通过控制不同的激光参数(能量密度、光斑重叠率、扫描间距)，制备得到的水凝胶微沟壑、微凸起、微坑，其激光辐照水凝胶区域经刻蚀形成的表面具有不同的孔隙率。因此可以通过激光参数调控水凝胶微结构区域在受压摩擦工况下的水溶液渗出速率，进而进一步精细调节其润滑性能。
[0024]此外，微坑尺寸在10微米数量级，即软骨细胞尺寸，有利于软骨细胞附着于微坑，对于关节软骨的水凝胶再生提供了良好的条件。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光选择性制备形性调控的水凝胶膝关节植入假体，其特征在于，包括水凝胶膝关节植入假体本体，所述水凝胶膝关节植入假体本体的外轮廓、厚度和表面弧度均由紫外激光刻蚀去除通用型水凝胶块而得到；所述通用型水凝胶块是将水凝胶前驱液浇筑到通用模具中，再通过交联反应而获得；所述水凝胶膝关节植入假体本体的上表面设置有由激光刻蚀而形成的微结构；所述上表面指朝向关节腔的面；所述微结构包括微沟壑和微凸起，所述微沟壑宽度为1
‑
5微米，微沟壑与外界连通，所述微凸起呈四棱台突出状，四棱台边长为80
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120微米，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宇，周小棚，侯智善，朱小伟，林子杭，薛伟，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：