阅读说明：本技术 氧化锌-聚醚醚酮复合材料、其制备方法和用途及由其形成的人工关节 (Zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material, preparation method and application thereof, and artificial joint formed by zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material ) 是由 王友 张珏 岳冰 孟祥超 苑志国 杜哲 于 2020-08-14 设计创作，主要内容包括：本发明提供氧化锌-聚醚醚酮复合材料及其制备方法和用途及由其形成的人工关节,以氧化锌-聚醚醚酮复合材料的总质量为基准计,所述氧化锌-聚醚醚酮复合材料包括5～30wt％的氧化锌和70～95wt％的聚醚醚酮,其中所述氧化锌为粉末状。本发明的复合材料及由其形成的人工关节具有良好的生物相容性、生物活性、力学相容性、自润滑性抗摩擦能力以及抗炎症能力；其弹性模量、韧性以及断裂强度等力学性能与人骨相匹配,不会造成应力遮挡效应引发的人工关节假体材料松动以及骨吸收等负面效应,能够满足临床对于人工关节假体的需求。(The invention provides a zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material, a preparation method and application thereof, and an artificial joint formed by the zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material, wherein the zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material comprises 5-30 wt% of zinc oxide and 70-95 wt% of polyether-ether-ketone by taking the total mass of the zinc oxide-polyether-ether-ketone composite material as a reference, wherein the zinc oxide is in a powder form. The composite material and the artificial joint formed by the composite material have good biocompatibility, bioactivity, mechanical compatibility, self-lubricating friction resistance and anti-inflammatory capability; the mechanical properties such as elastic modulus, toughness and fracture strength are matched with human bones, so that negative effects such as artificial joint prosthesis material looseness and bone absorption caused by stress shielding effect can not be caused, and the clinical requirement on the artificial joint prosthesis can be met.)

氧化锌-聚醚醚酮复合材料、其制备方法和用途及由其形成的 人工关节

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别是涉及一种氧化锌-聚醚醚酮复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

人工关节置换术是治疗晚期骨性关节炎，改善关节功能的有效方法。临床中，传统假体在长期植入过程中，因长时间功能性磨损易导致人工关节材料磨损性破坏，产生的磨损颗粒易诱导假体周围炎症反应及骨溶解，最终引起植入修复失败。选择更适用于临床的假体材料并改进假体设计已经成为关节置换术中不可忽视的重点。

目前临床主要使用的人工关节材料为金属材料(钛合金等)以及超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料。金属材料(如钴镍合金、钛合金等)是临床上常用的金属假体材料，与体液长期接触容易释放金属离子，临床上表现为“黑水现象”；而钴、铬等金属离子存在肾毒性、致畸、形成炎性假瘤以及致癌风险。另，金属材料力学强度较大，产生的应力遮蔽效应进一步促使假体周围骨溶解、进而导致假体松动和周围骨折，最终使手术失败。所以，金属材料作为人工关节材料仍不能满足人工关节长期植入的临床需求。UHMWPE具有良好的机械性能和摩擦性能，其表面具有自润滑的特性，已成功的用作人工髋关节，人工膝关节，人工腕关节等人工关节假体。然而近年来长期随访病例显示，UHMWPE人工关节假体硬度偏低，抗蠕变性能差，晚期磨损较为严重，易导致关节松动等并发症，极大的影响了人工关节置换术的长期疗效。

针对人工关节材料的发展现状以及临床需求，学者致力于开发新一代耐磨损生物固定人工关节，目标为磨损整体寿命超过四十年，因此对于材料的选择以及改性加工工艺有了更高的开发要求。在现有技术条件下，UHMWPE的平均分子量已经很难继续提高，通过材料学方法提升其力学性能以及摩擦磨损性能的可能性较小。而金属材料本身就具有一定的局限性，不适宜作为长期的植入材料。

聚醚醚酮(PEEK)是一种芳香族半结晶性的热塑性特种工程塑料，具有优异的物理化学性能。近年来，因其力学性能接近皮质骨，被广泛应用于骨修复骨替代领域中，目前已被应用于脊柱椎间融合器，牙种植体等领域，取得了成功。近年来，学者发现其耐滑动磨损和抗微动磨损性能优异，故而得到人工关节研究者的广泛关注。

研究表明，PEEK作为骨植入材料同样具有一定的问题：其为生物惰性材料，不具备生物活性，本身与骨组织的结合强度较差，不能形成骨性结合。也就是说PEEK植入体内后不能很好地与宿主骨整合，极大地限制了其在临床上的广泛应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供氧化锌-聚醚醚酮复合材料及其制备方法和由其形成的人工关节，这种复合材料具有良好的生物相容性和生物活性，该人工关节与骨组织有匹配的力学相容性，能够刺激骨生长，加速骨愈合，从而达到生物固定，用于解决现有技术中的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过包括以下技术方案获得的。

本发明提供一种氧化锌-聚醚醚酮复合材料，以氧化锌-聚醚醚酮复合材料的总质量为基准计，所述氧化锌-聚醚醚酮复合材料包括5～30wt％的氧化锌和70～95wt％的聚醚醚酮，其中所述氧化锌为粉末状。

根据上述所述的氧化锌-聚醚醚酮复合材料，所述氧化锌为微米级或纳米级。优选地，微米级氧化锌的粒径为1μm～5μm；纳米级氧化锌的粒径为50nm～200nm。

根据上述所述的氧化锌-聚醚醚酮复合材料，所述聚醚醚酮为粉末状，粒径为10μm～20μm。

本发明还公开了如上述所述的氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法，所述制备方法为将氧化锌和聚醚醚酮混合均匀。

本发明还公开了如上述所述的氧化锌-聚醚醚酮复合材料用于形成人工关节的用途。

本发明还公开了一种人工关节，采用如上述所述的氧化锌-聚醚醚酮复合材料加工成型获得。

根据上述所述的人工关节，所述加工成型为注塑成型或热压成型。

注塑成型即将复合材料于注塑机中注塑成型，根据上述所述的人工关节，所述注塑成型的温度为350℃～370℃。

根据上述所述的人工关节，所述注塑成型的压力为30MPa～70MPa。

热压成型是将复合材料于模具中压制成型后，在模具中升温烧结成型。优选地，升温速率为(1～5)℃/min。优选地，升温至温度为340～360℃。优选地，升温至340～360℃后保持至少1h，更优选为2～3h。

根据上述所述的人工关节，所述人工关节的弹性模量为4GPa～6GPa。

根据上述所述的人工关节，所述人工关节的抗压强度为110MPa～160MPa。

根据上述所述的人工关节，所述人工关节的抗拉强度为70MPa～105MPa。

根据上述所述的人工关节，所述人工关节的抗弯强度为80MPa～115MPa。

本发明上述技术方案的有益效果在于：

1、本发明氧化锌-聚醚醚酮材料具有良好的生物活性和生物相容性，能够刺激骨生长，加速骨愈合，增强聚醚醚酮材料的骨整合能力；采用该复合材料制备的人工关节与骨组织有匹配的力学相容性，能够加速骨愈合，使得人工关节假体与骨组织直接产生骨性结合，从而实现生物固定。

2、本发明氧化锌-聚醚醚酮材料具有良好的自润滑能力，其摩擦性能较佳，能够有效减少长期使用过程中的磨损；将该材料应用于人工关节假体中，能够大大延长人工关节假体的使用寿命。

3、本发明氧化锌-聚醚醚酮材料人工关节假体在使用中产生的磨屑其致炎特性较低，可有效减轻颗粒病的发生。

4、本发明氧化锌颗粒均匀分布于人工关节假体中，保证人工关节磨损后仍然不断有氧化锌析出，相对于表面改性的结构，具有更好的持续性抗炎症能力和抗摩擦能力。

5、本发明氧化锌-聚醚醚酮复合材料的工艺简单易行，可根据临床需求相应调整该复合材料的制备工艺来制备不同形状、规格和力学性能的骨修复体。

总之，本发明的复合材料及由其形成的人工关节具有良好的生物相容性、生物活性、力学相容性、自润滑性抗摩擦能力以及抗炎症能力；其弹性模量、韧性以及断裂强度等力学性能与人骨相匹配，不会造成应力遮挡效应引发的人工关节假体材料松动以及骨吸收等负面效应，能够满足临床对于人工关节假体的需求。

附图说明

图1为效果实施例3中各样品的电子扫描显微镜照片，其中，图1中由左至右依次为纯聚醚醚酮、实施例1中的纳米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料、实施例2中的微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料

图2为效果实施例2的抗摩擦性能试验中各待测样品的磨损量柱状图

图3为效果实施例2进行的磨损试验中各待测样品的磨损表面的观察图片

图4为效果实施例3中各待测样品的细胞毒性实验量化结果图

图5为效果实施例4中炎性因子表达的实验结果图

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。

当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。

实施例1

本实施例中纳米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法，包括下述步骤：

将0.75kg粒径为50～100nm的纳米级氧化锌粉末和4.25kg粒径为10～20μm的聚醚醚酮粉末在混合机中均匀混合，得到混合粉末即得所述复合材料，其中，氧化锌的含量为15wt％。

将本实施例中的上述复合材料采用注塑机注塑成型，本实施例中使用非骨修复产品模具，得到成型后的复合材料，氧化锌均匀分布于该复合材料中，注塑成型的温度为360℃；注塑成型的压力为30MPa。该成型后的纳米氧化锌-聚醚醚酮复合材料的力学性能见表1。

实施例2

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法，包括下述步骤：

将0.75kg粒径1μm～5μm的微米级氧化锌粉末和4.25kg粒径为10～20μm的聚醚醚酮粉末在混合机中均匀混合，得到混合粉末即得所述复合材料，其中氧化锌的含量为15wt％。

将本实施例中的上述复合材料采用注塑机将混合粉末注塑成型，本实施例中使用非骨修复产品模具，得到成型后的复合材料，氧化锌均匀分布于该复合材料中，其中，注塑成型的温度为360℃；注塑成型的压力为30MPa。该成型后的微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的力学性能见表1。

实施例3

本实施例中纳米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料及由其形成的人工关节假体的制备方法，包括下述步骤：

将0.75kg粒径为50～100nm的纳米氧化锌粉末和4.25kg粒径为10～20μm的聚醚醚酮粉末在混合机中均匀混合，得到混合粉末；然后用注塑机将混合粉末注塑成型，本实施例中采用人工关节假体模具，其中，注塑成型的温度为370℃，注塑成型的压力为50MPa，含有的氧化锌的含量为15wt％。

本实施例中所得纳米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的人工关节的力学性能见表1。

实施例4

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料及由其形成的人工关节的制备方法，包括下述步骤：

将0.75kg粒径为1μm～2μm的微米氧化锌粉末和4.25kg粒径为10～20μm的聚醚醚酮粉末在混合机中均匀混合，得到混合粉末；然后用注塑机将混合粉末注塑成型，本实施例中采用人工关节假体模具，其中，注塑成型的温度为370℃；注塑成型的压力为50MPa，氧化锌的含量为15wt％。

本实施例中所得微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的人工关节的力学性能见表1。

实施例5

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法如下：将0.5kg氧化锌和5kg聚醚醚酮混合形成混合粉末，其中，氧化锌为1μm～5μm，聚醚醚酮的粒径为10μm～20μm。

采用注塑机将混合粉末注塑成型，采用人工关节假体模具，其中注塑成型的温度为360℃，注塑成型的压力为55MPa，最终形成的复合材料中氧化锌的10wt％。

实施例6

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法如下：将0.5kg氧化锌和2.5kg聚醚醚酮混合形成混合粉末，其中，氧化锌为1μm～5μm，聚醚醚酮的粒径为10μm～20μm。

采用注塑机将混合粉末注塑成型，采用人工关节假体模具，其中注塑成型的温度为350℃，注塑成型的压力为50MPa，最终形成的复合材料中氧化锌的20wt％。

实施例7

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法如下：将0.3kg氧化锌和0.7kg聚醚醚酮混合形成混合粉末，其中，氧化锌为1μm～5μm，聚醚醚酮的粒径为10μm～20μm。

采用注塑机将混合粉末注塑成型，采用人工关节假体模具，其中注塑成型的温度为350℃，注塑成型的压力为55MPa，最终形成的复合材料中氧化锌的30wt％。

对比例1

本实施例中微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的制备方法如下：将0.35kg氧化锌和0.65kg聚醚醚酮混合形成混合粉末，其中，氧化锌为1μm～5μm，聚醚醚酮的粒径为10μm～20μm。

采用注塑机将混合粉末注塑成型，采用人工关节假体模具，其中注塑成型的温度为350℃，注塑成型的压力为55MPa，最终形成的复合材料中氧化锌的35wt％。

效果实施例1

参照GB/T 1039-1992测试标准制备标准件，然后对其弹性模量，抗压强度，抗拉强度以及抗弯强度进行测试。

表1

根据上述表1实验结果可以看出：

众所周知，PEEK材料具有与人体骨相近的力学性能；通过改性之后我们发现，所制备得到的纳米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料以及微米级氧化锌-聚醚醚酮复合材料的力学性能并未发生较大的改变，其中，抗拉强度、抗弯强度以及弹性模量与PEEK材料相近，而抗压强度有所提升；所制备得到的复合材料仍具有与人体骨组织相近的力学性能，在人工关节替代中，与人体骨组织相近的力学性能对于材料植入以及长期发挥功能性具有重要的意义，该材料在人工关节领域中具有良好的应用前景。

效果实施例2

抗摩擦性能试验的方法，采用多功能表面综合测试仪测试样品的摩擦磨损性能。在室温下采用滑动摩擦形式，对样品采用直径为5mm的钢球在表面进行旋转摩擦，载荷为50N，速率为200r/min，时间为1h，摩擦方法为干摩擦；通过曲线测定摩擦系数，并拍摄照片确定其摩擦方式。

对实施例1和实施例2中氧化锌-聚醚醚酮复合材料以及纯聚醚醚酮材料进行抗摩擦性能测试，结果见图2和图3，图3中由左至右依次为纯聚醚醚酮、实施例1中的纳米级氧化锌-聚醚醚酮和实施例2中的微米级氧化锌-聚醚醚酮；由上述结果可知，聚醚醚酮材料本身具有良好的自润滑性能以及抗摩擦性能；通过纳米级以及微米级氧化锌的加入，其抗摩擦抗磨损能力进一步得到加强，其中，纳米级氧化锌的添加能够更好的促进其抗摩擦磨损性能的提升，磨屑量显著降低；而抗摩擦性能是人工关节材料在人体的长期植入过程中保持其功能稳定性的必要条件，因此，本发明中所得的氧化锌-聚醚醚酮复合材料具有良好的抗摩擦磨损性能，适合作为临床的人工关节材料。

效果实施例3

氧化锌-聚醚醚酮复合材料的细胞毒性试验：在与MC3T3-E1细胞共培养6h、12h、24h后，相对空白培养板的细胞活性。

对实施例1和实施例2制得的复合材料进行细胞毒性试验，其中，样品直径为10mm，厚度为2mm，其扫描电子显微镜图如图1所示；细胞毒性实验的具体方法如下。

根据ISO：10993-5细胞毒性标准测试复合材料的生物安全性。在37℃下，样品在无血清细胞培养基中(200mg/mL)浸泡24小时，过滤得浸提液。以3102/孔的浓度将成骨细胞接种到96孔组织培养板，继续孵育1天后，弃去培养基，PBS清洗3遍；加入含10％胎牛血清(FBS)的浸提液，继续培养1天；未加含10％FBS的材料浸提液作为实验对照组。在测试时间点时，每孔加入30微升四甲基偶氮唑盐(MTT)溶液，继续孵育培养4小时后，弃去培养液，PBS清洗3遍，每孔加入100微升二甲基亚砜(DMSO)，室温静置10分钟，酶标仪490nm测试吸光度，并将其与空白组对比得到相对活性。

实验结果具体如图4所示，由图4可以看出，与空白对照组相比，实验组的吸光度没有显著性差异，表明该复合材料对成纤维细胞的生长没有负面影响。经计算可知，复合材料浸提液中的细胞与空白对照组的细胞存活率的比值都在90％左右，证明样品对成骨细胞没有毒性。

效果实施例4

通过Real-PCR法测定PEEK和PEEK+ZnO磨屑颗粒对于细胞炎性因子表达情况的影响。

纯PEEK和本实施例1中的复合材料与Raw 264.7细胞共培养后，在12h和24h时炎症因子的表达变化。

使用小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7与PEEK以及PEEK和ZnO进行共培养，12h,，24h后收集细胞并提取总RNA(即核糖核酸)。

通过Trizol法提取RNA；Trizol将细胞裂解，搜集裂解液于离心管中，加入氯仿后离心，吸取上层水相，并转移至另一离心管中；加入异丙醇，混匀后室温放置，离心沉淀RNA；加入乙醇，温和震荡离心管，使沉淀悬浮，4摄氏度下继续离心5分钟，弃上清后自然风干。加入焦碳酸二乙酯(DEPC)处理的双蒸水溶液，置于60摄氏度水浴锅10分钟，溶解RNA样品，稀释后使用酶标仪测定260nm和280nm的吸光度值(OD＝A260/A280)，计算RNA浓度，将样品储存在-80℃下备用。在PCR仪上反应，使得RNA变性，并使用逆转录酶使RNA逆转录为cDNA，将所得样品储存在-80℃下备用；设计引物后，通过PCR仪定量检测炎性因子的表达。最终得到目标基因与Control组样品(对照组)目标基因表达量相比较后的倍数关系。

结果如图5所示，由图5可以看出，应用实施例1中纳米级氧化锌颗粒与巨噬细胞Raw 264.7体外细胞共培养显示IL-1、IL-6、IL-10、IL-12、TNF炎症因子均明显下降。表明，当PEEK与ZnO磨屑颗粒共培养时，ZnO能够显著抑制细胞因PEEK磨屑颗粒而产生的炎症反应；因而本实施例复合材料在长期植入过程中能够降低因磨屑颗粒而产生的炎症反应。该材料作为人工关节材料具有良好的应用前景。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。