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