[发明专利]一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。该方法包括：在钛合金的表面进行激光加工，得到表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金；将表面具有仿骨骼多孔织构结构的钛合金进行热氧化处理，使仿骨骼多孔织构结构的表面生成硬质TiO₂薄膜，在TiO₂硬质薄膜上旋涂聚四氟乙烯乳液，干燥，得到仿生人体关节组织结构的功能涂层。本发明从人体关节软骨的多尺度软/硬结合组织特性出发，利用激光加工技术、热氧化处理技术及涂覆技术，得到具有仿生组织结构特性的功能化涂层。该方法简单，成本低廉，制备的涂层具有很好的摩擦学性能及较高的耐磨承载能力，可显著提高钛合金在工程领域及人工关节领域作为摩擦部件的使用寿命。

技术领域

本发明属于生物医疗材料、材料表面改性及微纳制造领域，具体涉及一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。

背景技术

随着人类社会步入高龄化阶段，骨与关节损伤成为人们生活中常见的疾病之一。全世界因各类关节疾病需接受关节置换手术者高达5000万人，其中每年需人工髋关节置换治疗者达100多万例。但是，人工关节置换目前仍存在诸多不如意的问题有待解决，而这些问题都是和关节滑动表面的磨损、润滑等方面的原因息息相关。如何解决由于关节面间的摩擦磨损以及由于磨屑引发的“磨屑病”等生物相容性问题，是当前研究人工关节所面临的挑战。

钛合金由于其低密度、高比强度、好的耐蚀性和生物适应性等受到了广泛的关注，在医疗和生物机械等领域越来越重要。遗憾的是，钛合金由于较低的塑性剪切抗力、低加工硬化性及表面形成氧化膜的高脆性，在摩擦接触应力作用下，易发生粘着磨损和磨粒磨损，具有较差的减摩和抗磨性能，大大限制了钛合金作为生物医学关节的应用。为改善钛合金摩擦性能，研究者们尝试以仿生思路对其进行表面改性。Ren等(Ren L,Wang T,Chen Z,etal.Self-Lubricating PEO–PTFE Composite Coating on Titanium.Metals,2019,9(2):170.)通过微弧氧化法在钛合金表面制备了具有多孔结构的硬质TiO₂层，利用浸渍，烧结等方法将PTFE填充入TiO₂的多孔结构内，最终在钛合金表面得到具有减摩抗磨效果PEO-PTFE复合涂层。但该方法中，采用的微弧氧化法过程复杂，使用的电解质溶液成本较高，对环境有污染；并且该方法未以仿生角度对涂层进行结构设计，所得复合涂层虽减摩效果较好，但其承载能力不强。

人体关节软骨组织整体呈现软/硬结合的结构，表层软质材料表现出极低摩擦系数，而底层硬质材料提供了极强的承载力，且底部多孔结构增强了软/硬材料的结合力，因此对人体关节软骨结构的仿生模拟一直是仿生摩擦学中的研究热点。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种仿生人体关节组织结构的功能涂层及其制备方法与应用。

本发明提供了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，该制备方法简单、过程可控、无污染物生成，所制备的仿生功能涂层呈现很好的摩擦学性能以及较高的耐磨承载能力。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供了一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法。该方法包括：首先采用激光加工技术在钛合金表面成型出仿骨骼的多孔织构结构，再通过热氧化处理在多孔结构钛合金表面制备出一层二氧化钛(TiO₂)硬质薄膜，再以旋涂方法将聚四氟乙烯(PTFE)乳液均匀涂在多孔TiO₂硬质薄膜表面，放入真空干燥箱中干燥，最后在钛合金表面得到这种具有多孔结构软硬交替的PTFE/TiO₂复合功能涂层(所述仿生人体关节组织结构的功能涂层)，该涂层组织结构类似于人体关节软骨的组织结构。

本发明提供的一种仿生人体关节组织结构的功能涂层的制备方法，具体包括如下步骤：