D0I:10.13374/i.issn1001053x.2000.02.019 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 聚乙烯醇水凝胶人工软骨的连接试验 顾正秋)肖久梅娄思权2) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京，1000832)北京医科大学第三临床医院，北京，100083 摘要首先使水凝胶与金属纤维网实现微观机械嵌锁连接，然后用骨水泥(PMMA)将纤维 网面与底层骨（或金属）粘接，这种方法可实现人工软骨与底层骨（或金属）的机械-化学连接， 微观结构分析及力学测试表明界面连接牢固。 关键词聚乙烯醇水凝胶；复合人工软骨组件；机械-化学连接 分类号0632.21 聚乙烯醇水凝胶具有与关节软骨相似的结 锁连接的复合人工软骨组件.将此复合人工软 构与力学性能，因而可作为首选的人工软骨材 骨组件另一侧多余的聚乙烯醇水凝胶去除后， 料之一.此种人工软骨材料具有良好的生物相 可直接用骨水泥(PMMA)将人工软骨组件的不 容性和优良的摩擦学特性. 锈钢纤维网面粘接于金属（或宿主骨）表面上， 但是，聚乙烯醇水凝胶与底层骨的连接是 13性能和结构试验 较难解决的问题之一.本试验研究表明，利用机 (1)将聚乙烯醇水凝胶及复合人工软骨组 械-化学连接方法可实现聚乙烯醇水凝胶与金 件经真空全脱水后于STEREDSCAN360型扫描 属（或底层骨）的牢固连接.经4个月动物关节 电镜上进行微观结构分析. 软骨修补试验（杂种成犬3条，每条体重40kg (2)进行溶胀比测定试验.准确称取一定量 左右)表明，利用骨水泥作粘接剂，可简单、快 烘干的PVA水凝胶，其质量为m,放入盛有蒸 速、便捷地将复合人工软骨组件粘接于底层骨 馏水的容器内，按一定时间间隔称量PVA水凝 (软骨下骨)表面，能实现牢固的连接，组织学检 胶的质量m2,计算溶胀比m=(m2+m,)×100%,测 验表明，周围组织不产生炎性反应. 定其随时间变化的曲线；将PVA水凝胶放入体 积分数为30%的小牛血清中重复以上过程，测 1材料与方法 定其溶胀比随时间变化的曲线 1.1试验材料 (3)在nstron1122型力学试验机上，参照 聚乙烯醇(PVA)由北京化工二厂提供，型 GBT13936一92标准对试样进行剪切强度试验. 号为17-99，聚合度为1750+50，醇解度为99.9%. 304不锈钢纤维网由北京钢铁研究总院提供. 2试验结果与分析 1,2聚乙烯醇水凝胶复合人工软骨组件的制备 2.1聚乙烯醇水凝胶的溶胀特性 将10%一20%的聚乙烯醇水溶液注入底部放 图1(a)为聚乙烯醇水凝胶经真空全脱水处 有不锈钢纤维网并带有通气孔的模具中，然后 理后的的微观形貌.由图1(a)可见其为典型的 在模具上部加压，使聚乙烯醇水溶液渗入不锈 R.Hosemann所提出的隧道-折叠链模型（如 钢纤维网孔内，经反复冷冻-融化后，对冻结成 图1(b),是一种晶区与非晶区共存的结构.将 型体施行真空脱水12-24h,制得一种含水率为 烘干处理后的PVA水凝胶置于水或小牛血清 40%~86.5%的半晶聚乙烯醇水凝胶（即人工软 中时，水会逐渐渗入非晶区空穴使其逐渐溶胀， 骨)”，它是能与不锈钢纤维网之间微观机械嵌 最终达到饱和，其溶胀曲线如图2所示.经烘干 处理的PVA水凝胶置于小牛血清中的溶胀比 1999-12-03收稿顾正秋男，岁，教授 低于其在水中的溶胀比. *国家自然科学基金资助课题(No.59775038)
第 2 2 卷 第 2期 200 0 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e sr iyt o f S e i e n e e a n d Te c h n o l o g y B e ij i n g V b l . 2 2 N 0 . 2 A P . r 2 0 0 0 聚 乙 烯醇水凝胶人工软骨 的连接试验 顾正秋 ” 肖久梅 ” 姿思权 2 , 1 ) 北京 科技大学材料科学与工程学院 , 北京 , 10 0 0 83 2 ) 北京医科大学 第三临床 医院 , 北京 , 10 0 0 83 摘 要 首先 使水凝 胶 与金 属 纤维 网 实现 微 观机 械嵌 锁连 接 , 然后 用骨 水 泥 ( P M M A ) 将 纤维 网面 与 底层 骨 ( 或金 属 ) 粘接 . 这种 方法 可 实现 人工 软骨 与底 层 骨 (或 金属 ) 的机 械一化 学 连接 . 微观 结 构分 析 及力 学测 试表 明界面 连接 牢 固 . 关键词 聚 乙 烯 醇水 凝胶 ; 复 合人 工 软骨 组件 ; 机械一 化 学连 接 分 类号 0 6 3 2 2 1 聚 乙 烯醇水凝胶 具有与关节 软骨相似 的结 构与力 学性能 , 因 而可 作为 首选 的人 工 软骨材 料之一 此种人 工 软骨 材料 具 有 良好 的 生 物相 容性和 优 良 的摩擦 学特性 . 但是 , 聚 乙 烯醇水 凝胶 与底层骨 的连接是 较难解决 的问题之一 本试验研 究表明 , 利用机 械一化 学连接 方法 可 实现 聚 乙烯 醇水凝 胶与 金 属 ( 或底 层 骨 ) 的 牢 固连接 . 经 4 个 月 动 物关节 软骨修 补试验 ( 杂种 成犬 3 条 , 每 条体重 4 0 k g 左 右 ) 表 明 , 利 用骨水 泥 作粘接剂 , 可 简单 、 快 速 、 便捷地将 复合 人工 软骨 组件粘 接于 底层 骨 ( 软 骨下 骨 ) 表面 , 能实现牢 固的连接 . 组织学检 验 表 明 , 周 围组织不 产生炎性 反 应 . 1 材料与方法 1 . 1 试验材料 聚 乙 烯 醇 ( PV A ) 由北 京化工 二 厂 提供 , 型 号为 1 7 一 9 9 , 聚合度 为 17 5 0 十 50 , 醇 解度为 9 . 9% . 3 0 4 不 锈 钢 纤维 网 由北京 钢 铁研 究总 院提 供 . 1 . 2 聚乙烯醇水凝胶 复合人工软骨组件的制备 将 10 % 一 20 % 的聚乙 烯 醇水溶液注入底部 放 有不 锈 钢纤维 网 并带有 通气孔 的模具 中 , 然后 在模 具 上部加 压 , 使 聚 乙 烯醇 水溶液 渗入不 锈 钢 纤 维 网孔 内 , 经 反 复冷冻一 融化后 , 对冻结成 型体施 行真空 脱水 12 一 24 h , 制得一 种含水率 为 40 % 一 86 . 5 % 的 半 晶聚 乙 烯醇水 凝胶 ( 即 人工 软 骨 ) 【1] , 它 是能与不 锈钢纤维 网 之 间微 观机械 嵌 锁 连接 的复合人 工软骨组件 . 将此 复合人工 软 骨组 件 另一 侧多 余 的聚 乙 烯 醇水凝胶 去 除后 , 可直接用 骨 水泥 ( PM M A ) 将人工 软骨 组件 的 不 锈钢 纤 维 网面粘 接于 金 属 ( 或宿主 骨 ) 表面 上 . 1 . 3 性能和 结构试验 ( l) 将 聚 乙烯醇 水凝胶及 复合人 工 软 骨组 件经真空 全脱水后 于 S T E R E D S C AN 3 60 型 扫描 电镜 上 进行微 观结构分 析 , (2 ) 进行溶胀 比测 定试 验 . 准 确称取一 定量 烘千 的 P V A 水凝胶 , 其质 量为 m l , 放 入 盛 有蒸 馏 水的容器 内 , 按一定 时间 间隔 称 量 P V A 水凝 胶 的 质量 m Z , 计 算溶胀 比 m = ( m Z + m , )对 o % , 测 定 其随 时间变化 的 曲线 ; 将 PV A 水凝胶放 入体 积 分数为 30 % 的小牛 血清 中重 复 以 上 过程 , 测 定 其溶胀 比 随时 间变化 的曲线 . ( 3 ) 在 I n s tr o n 1 12 2 型 力学试 验机上 , 参照 G B 汀 13 9 36 一92 标准对试样进行剪切 强度试验 , 19 9 一 12 一 03 收稿 顾正 秋 男 , 岁 , 教授 * 国家 自然科 学基 金资 助课题 ( N 让5 9 7 7 5 0 3 8) 2 试验结果 与分析 2 . 1 聚乙 烯醇水凝胶 的溶胀特性 图 1 (a) 为 聚 乙烯醇水凝胶经 真空 全 脱水 处 理后 的的 微观形 貌 . 由 图 1 ( a) 可 见 其为典 型 的 R . H os e m an `2] 所提 出 的 隧道一 折叠 链 模型 ( 如 图 1 (b ) ) , 是一 种 晶区 与 非 晶 区 共存 的 结构 . 将 烘干 处理后 的 PV A 水凝 胶置 于 水或 小牛 血 清 中时 , 水会逐渐渗入非 晶 区空 穴 使其逐渐溶胀 , 最终达 到饱 和 , 其溶胀油线如 图 2 所示 . 经烘干 处 理 的 P V A 水凝胶 置 于 小 牛血 清 中的溶胀 比 低 于 其在水 中的溶胀 比 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 019
·164. 北京科技大学学报 2000年第2期 非品区 伸直链 晶区 链的末端 空穴 折叠区 图1聚乙烯醇水凝胶经真空脱水处理后的微观形貌(a,R.Hosemann隧道折叠链模型(b) Fig.1 Micromorphology of PVA-hydrogel fully dehydrated in vacuum 3.5 在水中 钢纤维网孔中，经反复冷冻-融化及真空脱水处 3.0 理后，形成聚乙烯醇水凝胶（人工软骨）（图3 在小牛血清中 2.5 (b),1区)与不锈钢纤维网（图3(b),2区）之间 2.0 的微观机械嵌锁，实现聚乙烯水凝胶与不锈钢 纤维网之间的连接，而骨水泥（图3(b),3区）也 1.5 渗透到不锈钢纤维网孔中，并在其中固化，实现 1.0 复合人工软骨组件与不锈钢基片（图3(b),4区） 0.5 的牢固连接.从图4的面分析结果可见，不锈钢 0睡 纤维网中纤维丝呈网状分布，内含大量通孔（图 0 2 8 4(a).聚乙烯醇水凝胶和骨水泥弥散于不锈钢 t/d 纤维网中（图4(b)). 图2聚乙烯醇水凝胶经真空脱水后再次溶胀时的溶胀曲线 Fig.2 The curves of swelling ratio of PVA-hydrogel dehyd- 2.3不锈钢纤维网孔径与剪切强度的关系 rated in vacuum 不同孔径的不锈钢纤维网与聚乙烯醇水凝 2.2复合人工软骨组件的微观结构 胶之间的微观机械嵌锁连接具有不同的剪切强 不锈钢纤维网具有三维网状结构（图3(）)， 度，纤维网孔径大，孔隙率越高，则聚乙烯醇水 其中网孔为通孔，将聚乙烯醇水溶液注入不锈 凝胶渗入量愈多，剪切强度越高（表1） (b) 图3不锈钢纤维网(，复合人工软骨组件与金黑基片粘接样(b)的微观结构 1一水凝胶，2-一纤维网，3一骨水泥，4连接 Fig.3 Micromorphology of the stainless steel fibre mesh and specimen of composite artificial cartilage device(CACD)bond- ed to the metal substrate
Vol.22 No.2 顺正秋等：聚乙烯醇水凝胶人工软骨的连接试验 ·165 (a) (b) 图4不锈钢纤维网，复合人工软骨组件与不锈钢基片粘接样的面分布 ()不锈钢纤维的网状分布b)聚乙烯醇水凝胶与骨水泥在不锈钢纤维网中的弥散分布 Fig.4 Surface distributions of the stainless steel fibre mesh and specimen of CACD bonded to the stainless steel substrate 表1不锈钢纤维网与PVA水凝胶之间机械连接剪切强度 醇水凝胶与不锈钢纤维网的连接，制得复合人 Table I The shear strength of the mechanical attachment 工软骨组件.以骨水泥(PMMA)为粘合剂，可实 between the stainless steel fibre mesh and PVA-hydrogel 现复合人工软骨组件与不锈钢基片（或底层骨） 不锈钢纤维网的孔径/mm9-1035403540 之间牢固的机械-化学连接。 不锈钢纤维网的孔隙度% 70 8080 (3)不锈钢纤维网的孔径愈大，孔隙率愈高， PVC水凝胶的含水率/% 79.680.279.6 则聚乙烯醇水凝胶与不锈钢纤维网连接的剪切 两者连接的剪切强度MPa 0.203 0.5 强度愈高， 4结论 参考文献 (1)聚乙烯醇水凝胶经真空全脱水处理后 I Gu Zhengqiu,Xiao Jiumei.Zhang Xianghong.The Devel- opment of Artificial Articular Cartilage-PVA-Hydrogel. 的微观形貌，为典型的R.Hosemann隧道-折叠 Bio-Medical Materials and Engineering.1998:8:75 链模型，置于水或小牛血清中时，可溶胀至饱和. 2何曼君，陈拳维，董西侠编高分子物理.上海：复旦大 (2)采用微观机械嵌锁方法可实现聚乙烯 学出版社，1990.63 Mechanical-chemical Attachment of the Artificial Cartilage(PVA-hydrogel) to the Metal Substrate(or Underlying Pone) GU Zhengqiu". XIAO Jiumer.LOU Siquan 1)Materials Science and Engineering.USTB.Beijing.100083.China2)Third Clinical Hospital of Beijing Medical University.Beijing 100083) ABSTRACT PVA-hydrogel is attached to the metal fibre mesh by means of micro-mechanical interlock method at first,then the surface of metal fibre mesh is bonded to the underlying bone by the bone cement (PMMA).In this way,the artificial cartilage can be firmly attached to the underlying bone (or metal substrate).Microstructure analysis and mechanical tests show that the attachment between artificial cartilage and the metal substrate is firm. KEY WORDS PVA-hydrogel;composite artificial cartilage device;mechanical-chemical attachment