一种制备纳米酶改性的骨科用聚合物的方法及其产品和应用

技术领域

本发明涉及一种制备纳米酶改性的骨科用聚合物的方法及其产品和应用，属于生物医学工程与功能材料的交叉领域。

背景技术

骨组织为身体提供了结构支持，保持骨组织的健康和完整对于人体的正常生活和运动至关重要。然而，随着全球老龄化程度的加深和人们生活方式的变化，骨科疾病的发病率呈现出上升趋势，造成患者的骨组织功能受损。针对这一现象，聚合物因其良好的生物相容性、可加工性和机械性能被广泛用于骨科疾病的治疗中，作为一种可植入的医疗器械起到修复、增强和代替骨组织功能或充当人造软骨的支撑物或锚定物的作用。

骨组织通过成骨作用和破骨作用之间的动态平衡维持骨组织的功能稳定，即骨代谢平衡。骨组织的功能缺损通常由物理损伤或长期积累的骨代谢失衡造成。造成骨组织功能严重受损的骨科疾病包括晚期关节炎、骨质疏松、骨肿瘤、骨髓炎、大段骨缺损和锥体骨折等，其特征在于机体本身的骨代谢失衡且药物治疗失效，需要使用手术对病灶区域进行管理。在这种情况下，理想的聚合物植入物不仅需要发挥力学层面上的支撑作用，还需要尽可能的辅助机体恢复骨代谢平衡，帮助患者实现良好的术后愈合和功能恢复。然而，常规的骨科用聚合物往往无法实现良好的骨整合和术后骨代谢平衡的恢复，导致这种现象的原因是多方面的：

1、植入物引起的异物反应。

尽管聚合物植入物具备良好的生物相容性和生物惰性，但是其作为非宿主组织在植入后会立刻引起机体免疫系统的反应：免疫细胞被激活并聚集到植入物周围，释放活性氧(Reactive oxygen species，ROS)以试图对植入物进行吞噬和清除。然而这种吞噬往往是不成功，这进而造成了过量活性氧的堆积和大量细胞因子的释放，最终在宿主和植入物界面处形成过度的炎症反应并对周围组织造成破坏，如骨组织的吸收和瘢痕组织的形成。更为甚者，为了隔离和包裹植入物，机体会在植入物周围形成纤维组织构成的包膜，以限制植入物和组织的接触，这种纤维包膜的形成会导致植入物稳定性下降同时限制其骨整合效果。因此，降低聚合物植入物引起的异物反应对于提高其体内功能稳定性至关重要。

2、植入物的微环境调节能力不足。

接受植入手术的患者通常本身患有严重的骨科疾病，其骨代谢失衡严重，通常伴随着炎症、自身免疫疾病、肿瘤等复杂的情况，往往导致病理微环境中ROS含量的上升。植入手术可以帮助清除坏死的组织，但是无法彻底扭转疾病的发展，在这种情况下，仅靠常规的聚合物植入物无法有效调节病灶区域微环境。尽管可以通过使用双膦酸盐、非甾体抗炎药、免疫拮抗剂等药物进行术后药物管理，但长期的全身给药会造成包括肾脏损伤、消化系统不良、心血管系统损伤、恶性肿瘤等严重的副作用，且加重了患者的经济负担。因此，对植入物进行改性以增强其病理微环境调节能力是一种安全、经济的设计思路，实现对病灶区域局部的免疫调节，降低全身给药的频次和剂量。目前有研究通过在植入物表面形成涂层，并通过涂层搭载、缓释生物活性物质，如细胞因子、抗氧化剂和抗炎药物等，以提高植入物的病理微环境调控能力。但是在使用过程中涂层会发生降解，搭载的生物活性物质也会随着时间的推移逐渐耗散，难以维持长期的微环境调节作用。因此，开发出新的改性方式使聚合物植入物具备长期的生理微环境调节能力对于患者术后的骨代谢平衡恢复有积极作用。

3、植入物机械功能退化。

根据骨科用聚合物在骨组织中扮演的角色以及所需的力学性能，可以分为承重型聚合物材料和非承重型聚合物材料。承重型聚合物材料用于承担负载，常用于骨修复和替代手术中，例如人工关节垫片、骨融合器和骨板等，这些材料通常具有高强度、刚性和耐磨性。然而，承重型聚合物植入物仍会在长期的载重作用下出现机械性能退化的问题，表现为强度降低、韧性下降、颗粒掉落、甚至发生裂纹和断裂。机械性能的退化不仅导致植入物无法发挥正常的功能作用，甚至会给患者带来严重的健康风险。比如在关节置换手术后，约有10％的患者因为无菌松动需要在术后10-20年进行翻修手术，聚合物衬垫在长期负荷下掉落的颗粒是造成无菌松动的主要原因。掉落的颗粒会激活宿主的免疫系统，导致ROS的大量堆积，造成破骨细胞的过度活化和植入物周围骨溶解，最终导致假体的松动甚至是周围骨折。由此可见，保持聚合物植入物长期的机械性能完好是保证其长期发挥功能作用的重要手段。

归纳目前骨科用聚合物植入物的不足，可以发现理想的骨科用聚合物植入物的改性方向如下：(1)降低植入物引起的异物反应；(2)长期稳定的病理微环境调节能力；(3)长期稳定的机械性能。

ROS是参与细胞信号传到和细胞功能调节的氧代谢产物，但是在炎症、自身免疫疾病、肿瘤、异物植入、感染等病理情况下，过量ROS会导致氧化应激，这反过来加剧了疾病。已有广泛的研究将消除过量ROS作为调控炎症消退和恢复骨代谢平衡的手段。但是常规的抗氧化剂以牺牲性的方式消除ROS，其作用效果会随着时间下降。天然酶虽然可以通过非化学剂量依赖的形式高效清除ROS，但其不稳定性限制了实际应用。

掺杂纳米填料是一种增强聚合物的机械性能的有效方法，纳米材料可以通过高比表面积效应、界面增强效应、纳米尺寸效应显著改善聚合物的力学性能、热稳定性和耐磨性等。但其增强效果受限于纳米填料在聚合物基质中的分散情况，直接将纳米填料和聚合物进行机械共混后成型往往会造成纳米填料的团聚，这反而降低了聚合物的机械性能。因此，与传统物理混合相比，在聚合物中原位生长的纳米颗粒，通常具有更好的分散性和更佳的机械增强效果。

纳米酶是具有类酶催化性质的纳米材料，兼具类酶的活性中心和纳米材料本身的理化性质。纳米酶具有包括超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)在内的多种酶活性，已被广泛用于多种疾病模型的抗氧化治疗。同时，纳米酶具有高稳定性、可调控性，可以适用于多种天然酶无法耐受的苛刻工作环境。

专利(申请号：2021104391305)公开了一种基于纳米酶修饰的骨植入材料及其制备方法和应用，所述基于纳米酶修饰的骨植入材料是将纳米酶或纳米酶的前驱体(可原位制备纳米酶)对骨植入材料进行修饰得到。但是，该专利对聚乙烯的改性停留在原料层面，没有进行产品的加工和力学性能测试，因此无法确定其改性方式是否会对植入物的加工、成型和力学性能产生影响；所提出的聚乙烯改性方式适用于分子量200万的聚乙烯，其改性方式无法满足临床实际使用的超高分子量聚乙烯(分子量≥500万)。该专利中提出的改性方式单次产量为毫克级别，难以满足实际产品制备所需的原料用量。此外，该专利的改性方法中对得到的改性聚乙烯进行了液氮降温和破碎，这种方式会降低聚乙烯的分子量，进一步导致成品的机械性能下降。而且，该专利中所提出的纳米酶改性钛合金植入物修饰方式是在钛合金表面进行纳米酶改性以形成涂层。鉴于钛合金假体在人工关节植入物中常用于制备关节面、股骨头球头等产品，其抗摩擦性能和机械老化性对于假体的长期稳定性尤为重要，但是该专利中并未对改性后的钛合金假体进行相关方面的测试。此外，在实际应用中，随着长期的往复摩擦运动，纳米酶涂层可能会出现剥落和降解，因此纳米酶表面修饰的方式其长期稳定性可能落后于原位修饰。

综上，针对目前骨科聚合物植入物存在的不足，使用纳米酶作为改性媒介是一种可以同时实现植入物机械性能和生理微环境调节能力提升的方法。

发明内容

发明目的：为了解决现有骨科用聚合物植入物的不足，本发明提出通过纳米酶改性提高聚合物植入物的性能，具体包括：①降低植入物引起的异物反应；②延长植入物生理微环境调节能力维持时间；③实现植入物机械性能的提升，延缓磨损颗粒产生；④降低磨损颗粒引起的免疫反应。

本发明的第一目的是提供一种在聚合物中原位生长纳米酶的合成方法；本发明的第二目的是提供一种对纳米酶改性后聚合物加工的方法；本发明的第三目的是提供纳米酶改性聚合物植入物在改善骨科疾病方面的应用。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了制备纳米酶改性的骨科用聚合物的方法，包括以下步骤：

(1)使用聚合物粉料溶解于辅助聚合物溶胀和/或溶解的A溶剂中，在加热状态下进行溶胀和/或溶解，

(2)将一种或多种纳米酶或纳米酶前体分散或溶解于其良溶剂B溶剂，并将B溶剂打入溶胀和/或溶解后的聚合物中，

(3)使用与A溶剂不互溶的C溶剂(介电常数相差30以上)对得到的纳米酶改性的聚合物进行溶剂置换，之后进行清洗干燥。

其中，步骤(1)中所述聚合物粉料包括超高分子量聚乙烯、低分子量聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚醚醚酮、聚乳酸-共-羟基乙酸、聚乳酸、聚乳酸乙醇酸、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚碳酸酯、聚氨酯、聚己内酯、聚乳酸-共-己内酯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种。

优选地，所述聚合物粉料为超高分子量聚乙烯(分子量≥500万)。

其中，步骤(1)中所述A溶剂包括异戊烷、正戊烷、十氢萘、石油醚、己烷、环己烷、异辛烷、三氟乙酸、三甲基戊烷、环戊烷、庚烷、三氯乙烯、甲苯、对二甲苯、氯苯、邻二氯苯、苯、异丁醇、二氯甲烷、丁醇、正丙醇、四氢呋喃、乙醇、乙酸乙酯、石油醚、环己烷、氯仿、苯、甲苯、二氯甲烷、乙醚、乙酸乙酯、异丙醇、氯仿、吡啶、丙酮、乙酸、乙腈、苯胺、二甲基甲酰胺、甲醇、乙二醇、二甲基亚砜或水中的一种或多种组合。

优选地，所述A溶剂为十氢萘。

其中，步骤(2)中所述纳米酶包括碳基纳米酶、氮族化合物纳米酶、氧族化合物纳米酶、金属纳米酶、金属有机框架基纳米酶、共价有机框架基纳米酶、金属配位纳米酶或复合材料纳米酶中的一种或多种组合。

进一步地，所述碳基纳米酶包括富勒烯基纳米酶、碳纤维基纳米酶、碳纳米管基纳米酶、石墨烯基纳米酶或其他碳基纳米酶的一种或者多种。

所述氮族化合物纳米酶包括氮化物基纳米酶或磷化物基纳米酶中的一种或多种组合。

所述氧族化合物纳米酶包括氧化物基纳米酶、硫化物基纳米酶、硒化物基纳米酶或碲化物基纳米酶中的一种或多种组合。

所述金属纳米酶包括金纳米酶、铜纳米酶、银纳米酶、铂纳米酶、钯纳米酶、铑纳米酶、钌纳米酶或合金纳米酶中的一种或多种组合。

所述金属有机框架基纳米酶包括铁基金属有机框架纳米酶、锌基金属有机框架纳米酶、铜基金属有机框架纳米酶、锆基金属有机框架纳米酶、铪基金属有机框架纳米酶、钒基金属有机框架纳米酶、金属掺杂的金属有机框架米酶或碳基纳米酶的一种或多种。

所述共价有机框架纳米酶包括硼类共价有机框架纳米酶、亚胺类共价有机框架纳米酶、三嗪类的共价有机框架纳米酶或其他类型的共价有机框架纳米酶的一种或多种组合。

优选地，所述纳米酶为氧族化合物纳米酶；所述氧族化合物纳米酶为氧化物基纳米酶；所述氧化物基纳米酶为氧化铈。

其中，所述纳米酶含有金属元素包括锂元素、镁元素、铝元素、钾元素、钙元素、钪元素、钛元素、钒元素、铬元素、锰元素、铁元素、钴元素、镍元素、铜元素、锌元素、镓元素、锗元素、铷元素、锶元素、铱元素、锆元素、铌元素、钼元素、钌元素、铑元素、钯元素、银元素、锡元素、锑元素、铈元素、铪元素、铱元素、铂元素、金元素或铋元素中的一种或多种组合。

优选地，所述纳米酶含有铈元素。

其中，所述纳米酶前体包括有机金属盐、氯化金属盐、溴化金属盐、硝酸金属盐、醋酸金属盐、硫酸金属盐或金属氰化配合物中的一种或多种的组合。

优选地，所述纳米酶前体为有机金属盐。

其中，所述有机金属盐包括金属乙酰丙酮盐、金属醇盐、金属酸盐、金属醚盐、金属醚酸盐、金属醚醇盐、金属酰胺盐、金属醇酸盐、金属羧酸酰胺盐、金属醚酰胺盐、金属亚胺盐、金属磷配合物或金属氮配合物中的一种或多种组合。

优选地，所述有机金属盐为金属乙酰丙酮盐。

其中，所述金属乙酰丙酮盐含有金属元素包括锂元素、镁元素、铝元素、钾元素、钙元素、钪元素、钛元素、钒元素、铬元素、锰元素、铁元素、钴元素、镍元素、铜元素、锌元素、镓元素、锗元素、铷元素、锶元素、铱元素、锆元素、铌元素、钼元素、钌元素、铑元素、钯元素、银元素、锡元素、锑元素、铈元素、铪元素、铱元素、铂元素、金元素或铋元素的一种或多种组合。

优选地，所述金属乙酰丙酮盐为乙酰丙酮铈。

其中，步骤(2)中分散纳米酶或纳米酶前体的良溶剂B溶剂包括乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、氯仿、吡啶、丙酮、乙酸、乙腈、苯胺、二甲基甲酰胺、甲醇、乙二醇、二甲基亚砜或水中的一种或多种组合。

优选地，所述B溶剂为乙醇。

其中，步骤(3)中用于溶剂置换的C溶剂与A溶剂不互溶，两者介电常数相差30以上。

其中，所述的C溶剂包括乙醇、乙酸乙酯、异丙醇、氯仿、吡啶、丙酮、乙酸、乙腈、苯胺、二甲基甲酰胺、甲醇、乙二醇、二甲基亚砜或水中的一种或多种组合。

优选地，所述C溶剂为甲醇。

其中，步骤(3)中对溶液置换后的纳米酶改性聚合物粉料进行至少10次乙醇滤洗，并在80℃真空烘箱中加热7天以挥发残留的溶剂。

本发明还提供了一种由所述方法制备的骨科用聚合物。

本发明还提供了一种利用所述骨科用聚合物制备改性聚合物植入物的方法，包括以下步骤：

(1)对改性聚合物进行机械成型和形貌加工，得到改性聚合物植入物粗品；

(2)对改性聚合物植入物粗品进行加工后处理，得到改性聚合物植入物。

其中，步骤(1)中对纳米酶改性聚合物的机械成型步骤包括热压烧结、热压成型、注塑成型、吹塑成型、挤出成型、压延成型、3D打印成型、真空成型或喷涂成型中的一种或多种组合。

优选地，所述成型方式为热压成型。

其中，所述3D打印成型包括熔融沉积法、光固化法、激光烧结法、粉末熔化法或电子束熔化法中的一种或多种组合。

优选地，所述3D打印成型方式为熔融沉积法。

其中，步骤(1)中所述形貌加工方法包括切割、磨削、钻孔、铣削或切削中的一种或多种组合。

优选地，机械加工方式为铣削。

其中，步骤(2)中所述加工后处理的步骤包括清洁、抛光、喷砂、酸洗、等离子体处理、溶剂处理、硅烷偶联剂处理、化学涂层处理或离子注入处理中的一种或多种组合。

优选地，加工后处理方式为清洗。

本发明还提供了一种由所述方法制备的改性聚合物植入物。

其中，纳米酶改性地骨科用聚合物制品包括人工关节垫片、骨板、骨钉、骨水泥、骨支架、骨融合器、骨填充物、骨固定带、人工骨或骨膜。

优选地，加工成型器件为人工关节垫片。

本发明还提供了由所述的骨科用聚合物在制备治疗、缓解和/或预防骨科疾病的骨科植入物中的应用。

其中，所述骨科疾病包括晚期关节炎、无菌松动、细菌性松动、骨质疏松、骨肿瘤、大段骨缺损修复、骨髓炎或骨折。

本发明原理：

1、本发明将聚合物进行溶胀后打入纳米酶前驱体以制备改性聚合物，聚合物溶胀后分子间空隙增大，有助于纳米酶在聚合物中的生长和分散。与传统的物理混合相比，原位生长得到的纳米酶可以在聚合物基体中实现良好的分散和机械性能提高。此外聚合物溶胀后形成的熔融物环境延缓了氧化铈结晶过程中的氧化过程，有助于更小尺寸纳米酶的形成。与专利(申请号：2021104391305)中所提出的水热法制备纳米酶相比，相同时间下在聚乙烯中原位生长的纳米酶的粒径更小，而更小的粒径有助于实现更优异的催化性能。

2、考虑到聚合物植入物在应用过程中需要发挥抗氧化性能并承载机械负荷，因此本发明同时利用了纳米酶作为纳米材料的机械增强性质和类酶催化性能，实现了聚合物性能多方面的提升。与专利(申请号：2021104391305)相比，本发明对聚合物的改性更为全面、更贴近临床实际应用情况。

3、本发明在制备过程中采用溶胀、溶剂置换和降温结晶等方式对改性聚合物进行合成后处理，使其从熔融物状态转变为可用于机械加工的状态。与专利(申请号：2021104391305)相比，本发明在对改性聚合物进行收集处理的过程中未使用剧烈搅拌、液氮破碎等步骤，没有对聚合物分子量造成降低，有助于后续产品机械性能的保持。

4、本发明在制备过程中使用非极性溶剂十氢萘对聚合物进行溶胀，在拓宽了改性聚乙烯的分子量范围的同时提高了单次改性聚合物产量。与专利(申请号：2021104391305)相比，可以满足分子量500万以上高分子量聚乙烯的改性需要，此外，大批量制备有助于实际加工应用。

5、本发明对得到的改性聚合物原料进行机械成型和形貌处理，可以制备出形态各异植入物，满足不同病理情况下的治疗需要。与专利(申请号：2021104391305)相比，本专利制备得到了人工关节垫片产品，证明所述聚合物改性和后续加工方法的可行性。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

1、减少术后用药剂量，降低药物不良反应和经济负担：本发明选用纳米酶作为植入物的改性媒介，纳米酶本身具有多种类酶催化能力，可以对多种ROS进行高效的催化消除，实现炎症的缓解，进而提高抗炎药物的治疗效果。此外，纳米酶改性的植入物引起的异物反应强度减低，这也有助于减少术后药物的剂量。通过部分代偿药物的作用、减弱对机体的刺激，纳米酶改性后的聚合物植入物可以帮助减少术后药物用量，避免长期用药的不良反应和患者经济负担；

2、增强机械性能，减少植入后并发症：本发明通过在聚合物基体中原位生长纳米酶，利用纳米酶作为纳米材料本身具备的理化性质，对多种聚合物进行机械增强，有助于聚合物植入物使用的机械稳定性。此外，通过减少植入物微粒的脱落，可以有效抑制术后并发症的产生，延长假体的使用寿命；

3、改性效果的长期稳定，延长对机体的保护作用：本发明通过在聚合物基体中原位生长纳米酶，可以在宏观、整体层面上实现对聚合物材料的改性，在长期的机械作用下聚合物基质中的纳米酶可以保持结构、功能的稳定性。此外，即使改性聚合物器件出现颗粒碎片的掉落，掉落的颗粒中仍然存在具有催化活性的纳米酶，可以帮助缓解颗粒引起的ROS分泌上调，实现对机体生理环境的长期保护；

4、避免生理毒性：本发明通过在聚合物中原位生长纳米酶，在赋予聚合物基体纳米酶活性的同时，聚合物基体也发挥了对纳米酶的保护、固定作用，可以保证纳米酶长期在植入部位发挥作用。避免了纳米酶颗粒的脱落、被吸收的风险，降低了纳米毒性，提高了纳米材料应用于生理环境的安全性；

5、可调控设计多酶活性，针对疾病个性化定制：纳米酶具有包括ROS清除活性、ROS产生活性、水解酶活性等在内的多种类酶活性。纳米酶本身作为纳米材料可以通过多种合成手段实现目标酶活性的表达和降低，因此可以针对不同疾病的病理环境和治疗需求设计理想的纳米酶，再将其应用于聚合物的改性，实现植入物的个性化定制；

6、改性方式简单，适用于多种聚合物基体，便于进行大批量制备和工业化生产。

附图说明

图1为纳米酶改性的聚合物制备的关节假体衬垫；

图2为在超高分子量聚乙烯中原位生长的氧化铈的不同放大倍数下的透射电子显微镜(TEM)图像，左侧为低倍数，右侧为高倍数；

图3为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯热压前后的X-射线衍射(XRD)结果；

图4为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯抗氧化老化的性能；

图5为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的断裂伸长率结果；

图6为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的拉伸性能结果；

图7为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的冲击性能结果；

图8为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的摩擦系数结果；

图9为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的磨损率结果；

图10为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的超氧阴离子消除结果(类SOD酶活性)；

图11为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的过氧化氢消除效果(类CAT酶活性)；

图12为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯的羟基自由基消除效果；

图13为氧化铈纳米酶改性的超高分子量聚乙烯颗粒减缓巨噬细胞ROS产生的结果；

图14为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在颅骨骨溶解模型中降低骨吸收的结果；

图15为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在颅骨骨溶解模型中促进成骨的结果；

图16为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在颅骨骨溶解模型中抑制炎症的结果；

图17为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在股骨植入模型中降低骨吸收的结果；

图18为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在股骨植入模型中抑制异物反应的结果；

图19为氧化铈纳米酶改性超高分子量聚乙烯颗粒在股骨植入模型中抑制炎症的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1合成制备氧化铈纳米酶修饰的超高分子量聚乙烯

1、将10g超高分子量聚乙烯(分子量为550万)分散于800mL十氢萘溶剂中，得到混合体系；

2、对步骤1中所得的混合体系在氮气环境下加热至120℃并持续搅拌直至超高分子量聚乙烯溶胀完全；

3、将1347.56mg乙酰丙酮铈溶解于20mL无水乙醇中，得到前体溶液；

4、将步骤3所得的前体溶液缓慢滴加到步骤2所得的体系中，并将气氛转换为空气气氛；

5、将步骤4所得的体系搅拌加热24h；

6、将步骤5所得的混合物倒入0℃甲醇中进行溶剂置换，待混合物降温后倒出多余溶剂；

7、使用乙醇对步骤6所得的混合物进行10次滤洗并干燥；

8、将步骤7所得的改性聚合物放入80℃的真空烘箱中进行残留溶剂挥发。

实施例2纳米酶改性聚乙烯中纳米酶合成情况的检测

1、使用XRD对实施例1制备的纳米酶改性的超高分子量聚乙烯进行检测，结果如图3所示。根据图片下侧的聚乙烯和氧化铈的特征峰卡片对比可以发现，改性聚乙烯与聚乙烯相比，不仅具有聚乙烯的特征峰，同时表现出明显的氧化铈特征峰。表示在聚乙烯基体中成功原位生长了氧化铈，此外没有对聚乙烯本身的结构造成影响。

2、将10mg纳米酶改性的超高分子量聚乙烯分散于10mL十氢萘中，并在120℃下搅拌加热至聚乙烯溶胀；

3、取50μL的步骤2中的混合溶液滴于1mL乙醇中，摇晃分散；

4、将步骤3所得的混合溶液滴于铜网上，并使用TEM进行观察，结果如图2所示。从左侧低倍的TEM图像中可以看到氧化铈为颗粒状，尺寸约为5nm作用；从右侧的高倍TEM图像可以测量得到0.31nm的晶格距离，这是氧化铈(111)晶面的典型晶格距离，说明聚乙烯中原位生长的氧化铈同样具有良好的结晶情况。

实施例3纳米酶改性聚乙烯成型加工

1、将实施例1中得到的纳米酶改性聚合物置于热压模具中，并在常温下对模具施加10Mpa的压力进行压实，多次重复直至聚合物压实并填满型腔；

2、将装料完毕后的模具置于热压机中，加热到210℃并保温保压1h；

3、保温保压结束后，在压力不变的情况下自然降温至室温，之后取出聚合物块体；

4、将热压后的块体进行切片处理得到厚度约为100μm的薄片，之后将薄片通过角鲨烯浸泡、高温加热进行氧化老化处理。通过傅里叶红外光谱仪监测聚乙烯薄片、改性聚乙烯薄片老化后的氧化指数，结果如图4所示。经过相同的氧化老化程序后，改性聚乙烯相比普通聚乙烯表现出更低的氧化指数，说明其具有更强的抗氧化作用。

5、将热压后的块体按照国标测试标准进行切割并测试相关机械性能，测试了其拉伸性能(图5、图6)、冲击性能(图7)、摩擦性能(图8)和磨损性能(图9)；断裂伸长率结果(图5)说明聚乙烯和普通聚乙烯相比其断裂伸长率没有出现明显的下降，说明在聚乙烯中原位生长氧化铈不会对聚乙烯的拉伸性能造成破坏。此外，通过原位生长氧化铈提高了聚乙烯的极限拉伸强度(图6)和冲击强度(图7)，这对于改性聚乙烯的临床应用尤为重要。以钛合金球作为摩擦副，通过摩擦磨损测试仪测试了普通聚乙烯和改性聚乙烯的摩擦性能(图8)和磨损性能(图9)，改性后的聚乙烯其摩擦系数得到了显著的降低，在相同磨损时间下掉落的颗粒体积更少，说明通过在聚乙烯中原位生长氧化铈增强了其耐磨性能。

6、对步骤3中得到的聚合物块体进行数控加工，制备得到人工关节垫片模型如图1所示。

实施例4纳米酶改性聚乙烯的类酶活性测量

1、使用液氮对纳米酶改性后的超高分子量聚乙烯进行降温；

2、使用行星球磨机对步骤1中得到的降温聚乙烯进行破碎，震荡频率50Hz，每次30s，10次为一周期，总计10个周期；

3、将破碎得到的聚合物颗粒进行多次清洗干燥并分散于含有0.05％聚氧丙烯氧化乙烯甘油醚的PBS中备用；

4、使用硝基氯化四氮唑蓝法对聚合物颗粒的超氧阴离子清除活性进行检测，结果如图10所示。与普通聚乙烯颗粒相比，纳米酶改性后的聚乙烯颗粒表现出更高的超氧阴离子抑制率；

5、使用氧电极对聚合物颗粒的过氧化氢清除活性进行检测。纳米酶改性聚合物颗粒通过将过氧化氢催化分解为氧气和水实现对过氧化氢的清除，氧电极通过监测液体环境中的溶解氧浓度以衡量不同颗粒对过氧化氢的清除能力，结果如图11所示。与普通聚乙烯颗粒相比，纳米酶改性后的聚乙烯颗粒表现出随时间增长的溶解氧产生量，说明其具有显著的过氧化氢清除能力；

6、使用电子顺磁共振波谱对聚合物颗粒的羟基自由基清除活性进行检测，使用5，5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物作为羟自由基捕获剂，通过电子顺磁共振波谱信号的强弱衡量羟基自由基的多少，结果如图12所示。与普通聚乙烯颗粒相比，纳米酶改性后的聚乙烯颗粒具有明显的羟基自由基清除效果，其羟基自由基特征峰出现了显著的下降。

实施例5纳米酶改性聚合物颗粒对巨噬细胞的刺激作用

1、以3×10

2、将纳米酶改性聚乙烯颗粒和普通聚乙烯颗粒分别以0.2mg/mL、0.4mg/mL和0.8mg/mL的浓度分散于细胞培养液中；

3、将步骤2中得到的混合培养基打入步骤1中的12孔板中，将孔注满后用封口膜封口，之后对孔板进行翻转，使聚乙烯颗粒和改性聚乙烯颗粒分别上浮并与巨噬细胞接触，共孵育24h；

4、将培养液倒出，用PBS缓冲液摇晃冲洗细胞后加入含有10μM的2,7-二氯荧光素二乙酸酯探针的PBS后在细胞培养箱中避光孵育40分钟；

5、40分钟后吸出含探针的PBS，并用PBS摇晃冲洗细胞3次，之后将细胞吹洗下来并用离心管收集、避光保存；

6、使用流式细胞仪对巨噬细胞ROS含量进行监测，结果如图13所示。聚乙烯颗粒刺激巨噬细胞引起的活性氧探针相对荧光强度随着颗粒浓度的增加而增加，且远高于纳米酶改性的聚乙烯颗粒引起的相对荧光强度，表明纳米酶改性的聚乙烯颗粒引起的巨噬细胞活性氧分泌更少。

实施例6纳米酶改性聚合物颗粒在颅骨溶解模型中的生理性能

1、对ICR小鼠(维通达生物技术有限公司)进行分组，分为对照组、聚乙烯组和改性聚乙烯组。其中对照组为健康小鼠，聚乙烯组和改性聚乙烯组分别打入不同的颗粒。将50mg聚乙烯颗粒和改性聚乙烯颗粒分别打入ICR小鼠颅骨中缝处，缝合，14天后进行取材；

2、对组织进行检测，检测内容包括颅骨的Micro-CT、Masoon染色和白介素1-β染色；

3、对检测结果进行统计分析，包括相对骨体积(图14)、相对骨形成面(图15)和相对白介素1-β荧光强度(图16)。与对照组小鼠相比，聚乙烯颗粒刺激造成小鼠相对骨体积分数(图14)、相对骨形成面(图15)的明显下降，说明聚乙烯刺激加重了破骨吸收作用，并抑制了新骨形成，上述情况在改性聚乙烯组得到了缓解。从白介素1β荧光统计结果(图16)可以发现，聚乙烯组的小鼠表现出最高的白介素1β分泌，其炎症水平比对照组和改性聚乙烯组增强。

实施例7纳米酶改性聚合物颗粒在股骨植入模型中的生理性能

1、在ICR小鼠(维通达生物技术有限公司)左膝关节处做切口，并在股骨远端植入直径为0.8mm，长度为5mm的克氏针；

2、对小鼠进行分组，分为对照组、聚乙烯组和改性聚乙烯组。对照组小鼠不再注射颗粒，仅植入克氏针。对聚乙烯组和改性聚乙烯组小鼠，在股骨远端膝关节处分别打入50mg普通聚乙烯颗粒和改性聚合物颗粒，缝合，42天后进行取材；

3、对组织进行检测，检测内容包括颅骨的Micro-CT、Masoon染色和白介素1-β染色；

4、对检测结果进行统计分析，包括相对骨体积(图17)、纤维层厚度(图18)和相对白介素1-β荧光强度(图19)。与对照组仅植入克氏针的小鼠相比，聚乙烯颗粒刺激后的小鼠的相对骨体积有所下降(图17)，说明聚乙烯颗粒刺激后小鼠的成骨能力降低，而在改性聚乙烯颗粒组这一情况则得到了改善。通过纤维层厚度统计发现，聚乙烯颗粒组的小鼠其金属植入物周围的纤维层相较于对照组小鼠和改性聚乙烯组的小鼠增厚(图18)，标志着聚乙烯颗粒加重了金属植入物造成的异物反应，这对于植入物的长期稳定是不利的。白介素1β荧光强度统计发现，聚乙烯颗粒刺激后的小鼠其骨组织区域的白介素1β分泌含量上升(图19)，说明存在严重的炎症反应。

综上，利用本发明提供的一种使用纳米酶对聚合物进行改性的方法，所得到的聚合物可以用于制备骨科用植入物，其具备增强的机械性能和抗氧化类酶活性。制备所得的植入物可以通过消除ROS实现植入后异物反应的减弱、病灶区域炎症的消除和骨整合的促进。此外，纳米酶在聚合物基体中展现出长期的结构和功能稳定性，不仅可以保证假体功能的长期保持，还可以规避纳米材料本身的纳米毒性。通过这种新型的纳米酶改性聚合物合成方式，可制备兼具骨微环境调节和机械性能增强的植入物，且具备批量制备和工业化生产的潜力。