面向人工关节的可注射温敏溶胶原位相变凝胶化缓释润滑机理研究

The rapid development of the arthroplasty brings the well-being to the patients, but it also put forward higher requirements for long term service life of artificial joints. The toughened ceramic joints are highly valued because they overcome allergies of metal joints and aseptic loosening of polymer joints, but the annoying squeak occurs due to the poor lubrication. Used for the zirconia toughened ceramic joint, the short chain polyethylene glycol and ring-opening polymerization are selected and they polymerize to sol of polycaprolactone - polyethylene glycol - polycaprolactone, achieving gelation under human body temperature. After injection, the sol with additive of hyaluronic acid flows into the periphery of artificial joint and wraps artificial joint in the form of gel jacket. The resulting gel, with porous network, becomes the environment controlling the release of hyaluronic acid to the artificial joint friction surfaces. Moreover, the porous network absorbs micro-nano debris, suppressing the aseptic loosening and improving the physiological function around artificial joints. The project aims to reveal rheological properties of the injectable sol, the phase transition characteristics under human body temperature, bionic synovial fluid sustained release to the joint contact surfaces and film formation mechanism as well as tissue fluid reabsorption to prevent debris-induced aseptic loosening. Therefore, the key technologies support a solution of sustained release gel effect to aseptic loosening and extend the service life of total ceramic artificial joints.

人工关节置换术的高速发展，给患者带来了福音，也对人工关节的长寿命提出了更高的要求。增韧陶瓷关节克服了金属关节的过敏和聚合物关节的无菌性松动而受到高度重视，但其存在润滑不良引起的恼人的"异响"。基于氧化锆增韧氧化铝陶瓷人工关节材料，选取短链聚乙二醇与开环己内酯聚合得到聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯溶胶，实现体温凝胶化；添加透明质酸的溶胶常温下注射流动到人工关节周围，体温凝胶化仿形包裹着人工关节。凝胶化后的多孔网络，形成向人工关节摩擦面输运透明质酸的缓释环境；凝胶多孔网络吸纳微纳磨屑，抑制了磨屑引起的无菌性松动；改善了人工关节周围组织生理功能。本项目旨在揭示水溶胶的注射流变性能，体温下的相变凝胶特征；仿生滑液向人工关节接触面的缓释输运效能和成膜机制，以及对组织液的再吸收，防止磨屑诱导的无菌性松动的作用机制，为延长全陶瓷人工关节服役寿命提供技术储备，获得有学术意义和工程实用价值的成果。

随着我国人口老龄化社会形势加剧及各种创伤导致的不可恢复骨折病例逐渐增多，且接受关节置换手术的病人趋于年轻化。人工关节置换术是目前医疗界最有效的手术之一。多年的临床研究发现，人工关节的寿命和可靠性与润滑状态紧密相关，因润滑不良导致的磨屑诱导的无菌性松动是人工关节置换术面临的主要问题，也是当前研究人工关节所面临的主要挑战。.人工关节置换手术后，分泌滑液的关节囊和滑膜组织一并被切除，人工关节失去了天然滑液的润滑，从而在苛刻的体液环境下进行服役。可注射温度敏感性原位相变水凝胶缓释仿生滑液为人工关节提供可能的长效润滑。本项目的主要研究工作如下：.（1）以PCL-PEG-PCL两亲性嵌段共聚物作为目标水凝胶的交联物，通过开环聚合法在不同合成工艺下合成了一系列具有不同嵌段组成的PCL-PEG-PCL两亲性三嵌段共聚物，并实现了共聚物的链段长度的调控，所得水凝胶为富水的多孔结构。.（2）确定了不同浓度水凝胶的溶胶-凝胶-溶胶相变温度段和凝胶化时间区域；在载入润滑介质后载体复合物在室温下为溶胶态，具有可注射性，升至体温后可转变为凝胶态，并形成润滑介质的储库；并利用扭动角-温度变化研究了PCL-PEG-PCL水凝胶在室温-体温状态下的界面滑移效应，证实了水凝胶温敏相变性能。.（3）通过原位包埋交联法将透明质酸和牛血清白蛋白分别载入PCL-PEG-PCL水凝胶中，研究其在凝胶态下的缓释，所得缓释液具有比模拟体液更优的润滑性能。且水凝胶可在较长的时间内实现对润滑介质的缓释润滑，其中，在576h的恒温振荡后仅释放出约6.14%的牛血清白蛋白，水凝胶可在缓释机理可能与水凝胶的自组装和氢键作用的缔合作用有关。.（4）建立了点接触稳态热弹流模型，采用多重网格法计算压力，采用单向逐列扫描计算温度，分析摩擦表面的压力分布及温度分布。.（5）基于碳量子点优异的荧光特性和生物相容性，通过“一锅煮”方法合成了具有荧光效应的碳量子点，实现了对水凝胶的长效荧光标记及较好的润滑性能，可发挥体外荧光监测和润滑关节界面的双重功效。.（6）水凝胶填充含微织构表面后在摩擦过程中可缓释出润滑介质，针对摩擦副部位局部供给润滑介质，以期延长润滑介质在人工关节部位的润滑时间，使仿生滑液更直接到达摩擦副表面，通过润滑路径的优化改善人工关节的摩擦学性能。