CN109364305A - 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料 - Google Patents

一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂30%~94.5%、碳纤维5%~40%、碳化硅颗粒0.5%~10%，羟基磷灰石粉末0%~20%。本发明有效提高了聚醚醚酮复合材料在生理环境下的耐磨性能与金属对偶的耐腐蚀性能，并提高了聚醚醚酮基复合材料的使用寿命与骨结合性，并减少了金属对偶的离子释放和金属磨屑的产生，可以作为人工关节假体材料应用于临床医学领域。

Description

一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料
技术领域
本发明涉及植入体材料技术领域，尤其涉及一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料。
背景技术
目前，临床主要使用的人工关节材料包括金属类、陶瓷类、高分子类。金属材料具有强度高、耐摩擦等特点，已在人工关节领域取得了广泛的应用，但是摩擦过程中产生的金属离子与金属磨屑会引起毒性作用。而陶瓷类材料的强度及弹性模量远高于正常人体骨组织，植入体内后会因应力遮蔽效应引发骨吸收。传统的高分子类材料（如超高分子量聚乙烯）易发生老化，并且产生的磨屑导致假体周围的炎症反应，诱发骨溶解。
聚醚醚酮（PEEK）是一种半结晶线性多环芳香热塑性高分子材料，具有优良的物理与化学稳定性，耐水解、易加工、无毒性、无致畸、无致突变效应，且生物力学强度与人体皮质骨较为接近，经反复灭菌机械强度不退化。PEEK已得到美国食品药品监督管理局认证，应用于人工脊柱和人工关节领域。但是作为膝关节或髋关节材料，PEEK的耐磨性仍需进一步提升，其生物活性低，不易形成骨性结合。此外关节滑液中的水与小分子物质可与血液进行自由交换，由此包含大量的离子浸于此富含电解质的溶液中，金属摩擦腐蚀的相互促进作用会比单纯的摩擦或腐蚀严重数倍乃至数十倍。
现有技术中在聚合物基材料中添加陶瓷颗粒、增强纤维被证明能够提高材料的摩擦学性能，但并未考虑增强纤维在电解质溶液环境下对金属的摩擦腐蚀行为的影响，而添加不恰当的增强纤维（如CN105936724A添加的钢纤维，CN107459770A添加的玄武岩纤维）甚至会导致更严重的摩擦腐蚀。另外，在PEEK基体中添加未经生物相容性验证的功能填料（如CN108192276A添加的偶联剂，CN107011627A添加的多种助剂）具有潜在的风险，不利于其作为人工关节使用于人体中。而且，由于水基润滑介质往往承载能力较差，同时会抑制聚合物材料的转移，降低摩擦接触区域闪温，影响摩擦膜的形成，进而影响摩擦学性能，在干摩擦条件下对聚合物摩擦学性能有明显提升的陶瓷颗粒，往往不能在水相介质中提高聚合物的摩擦学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦性能良好的纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料。
为解决上述问题，本发明所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂30%~94.5%、碳纤维5%~40%、碳化硅颗粒0.5%~10%，羟基磷灰石粉末0%~20%。
所述聚醚醚酮树脂为医用级的聚醚醚酮粉末或粒料。
所述碳纤维是指单丝直径为7μm、长度为35~70μm的短切碳纤维。
所述碳化硅颗粒是指粒度为20nm~100nm的β型纳米碳化硅或粒度为0.1μm ~2μm的β型微米碳化硅。
所述羟基磷灰石粉末是指粒径为20~200nm的纳米羟基磷灰石。
所述挤压的条件是指采用双螺杆进行挤压；各区温度为：一区温度为370℃~375℃，二区温度为380℃~385℃，三区温度为390℃~395℃，四区温度为400℃~405℃；螺杆转速为100~900rpm。
所述注塑成型条件是指注塑机的注射模具温度为170℃~200℃，注射背压为2~4MPa，注射压力为170~180MPa。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明填充有良好生物相容性的陶瓷颗粒与增强纤维，所得的人工关节材料在摩擦过程中，纳米或微米陶瓷颗粒和碳纤维暴露在摩擦界面上，由于界面闪温，纳米或微米陶瓷颗粒发生水解，水解产物与碳纤维的摩擦产物、溶液中的钙离子、磷酸根离子等在金属对偶表面形成润滑性能优异、遮蔽能力强的摩擦膜，从而提高了聚醚醚酮复合材料在生理环境下的耐磨性能与金属对偶的耐腐蚀性能。
2、本发明所添加的羟基磷灰石是脊椎动物骨骼的主要无机成分，与机体亲和是公认性能良好的骨修复替代材料，在本发明中不但可以进一步提高耐磨性，而且可以增加PEEK与机体的骨结合。
3、本发明有效提高了聚醚醚酮基复合材料的使用寿命与骨结合性，并减少了金属对偶的离子释放和金属磨屑的产生，可以作为人工关节假体材料应用于临床医学领域。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1和对比例1~3的金属表面摩擦腐蚀电位图。
具体实施方式
实施例1 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂85%、碳纤维10%、碳化硅颗粒5%。
其中：聚醚醚酮树脂为医用级的聚醚醚酮粉末或粒料。
碳纤维是指单丝直径为7μm、长度为35~70μm的短切碳纤维。
碳化硅颗粒是指粒度为20nm~100nm的β型纳米碳化硅。
羟基磷灰石粉末是指粒径为20~200nm的纳米羟基磷灰石。
实施例2 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂75%、碳纤维20%、碳化硅颗粒5%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、羟基磷灰石粉末同实施例1。
碳化硅颗粒是指粒度为0.1μm ~2μm的β型微米碳化硅。
实施例3 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂67%、碳纤维30%、碳化硅颗粒3%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、碳化硅颗粒、羟基磷灰石粉末同实施例1。
实施例4 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂80%、碳纤维10%、碳化硅颗粒5%，羟基磷灰石粉末5%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、碳化硅颗粒、羟基磷灰石粉末同实施例1。
对比例1 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，只使用聚醚醚酮树脂粉末或粒料。
对比例2 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的体积分数为：聚醚醚酮树脂90%、短切碳纤维10%。
对比例3 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的体积分数为：聚醚醚酮树脂95%、纳米碳化硅颗粒5%。
将实施例1、实施例4及对比例1、对比例2、对比例3注塑后形成的样品分别加工成16.61mm×12mm×6.35mm的试样块，在高速环块摩擦试验机上对各试样块分别进行至少三次的摩擦磨损性能分析。
测试条件为：对偶钢环为316L不锈钢，初始表面粗糙度Ra=0.04μm，钢环的直径为35mm，试验载荷为100N，滑动速度为0.lm/s，摩擦磨损试验时间为2h，润滑介质为模拟体液，组分为NaCl: 8 g/L，Na2HPO4·12H2O: 0.126 g/L，KCl: 0.4 g/L，KH2PO4: 0.06 g/L，MaSO4: 0.098 g/L，CaCl2: 0.14 g/L，d-glucose: 1 g/L，NaHCO3: 0.35 g/L。
试验结果：见表1。
表1 在模拟体液润滑条件下高速环-块摩擦磨损试验数据
其中，实施例1的摩擦系数与磨损率较对比例l、对比例2、对比例3都有明显降低。实施例4添加纳米羟基磷灰石后摩擦系数相比实施例1上升，但聚合物的耐磨性进一步提高，磨损率下降到2.74×10-7mm3/(N·m)。此外，由实施例1和对比例1~3的金属表面摩擦腐蚀电位（见附图1）可以看出，实施例1的金属对偶表面电位在摩擦过程中逐渐升高，表明碳化硅颗粒的添加大幅降低了金属对偶的腐蚀与磨损。
实施例5 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂30%、碳纤维40%、碳化硅颗粒10%，羟基磷灰石粉末20%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、碳化硅颗粒、羟基磷灰石粉末同实施例2。
实施例6 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂94.5%、碳纤维5%、碳化硅颗粒0.5%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、碳化硅颗粒、羟基磷灰石粉末同实施例2。
实施例7 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂45%、碳纤维37%、碳化硅颗粒8%，羟基磷灰石粉末10%。
其中：聚醚醚酮树脂、碳纤维、碳化硅颗粒、羟基磷灰石粉末同实施例1。
上述实施例1~7中，挤压的条件是指采用双螺杆挤出机进行挤压；各区温度为：一区温度为370℃~375℃，二区温度为380℃~385℃，三区温度为390℃~395℃，四区温度为400℃~405℃；螺杆转速为100~900rpm。
注塑成型条件是指注塑机的注射模具温度为170℃~200℃，注射背压为2~4MPa，注射压力为170~180MPa。
上述实施例1~7、对比例1~3中，试剂和材料，如无特殊说明，均从商业途径获得。体积单位为L。

Claims (7)

1.一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：该材料由下述体积百分数的组分经机械混合、挤压、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂30%~94.5%、碳纤维5%~40%、碳化硅颗粒0.5%~10%，羟基磷灰石粉末0%~20%。
2.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述聚醚醚酮树脂为医用级的聚醚醚酮粉末或粒料。
3.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述碳纤维是指单丝直径为7μm、长度为35~70μm的短切碳纤维。
4.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述碳化硅颗粒是指粒度为20nm~100nm的β型纳米碳化硅或粒度为0.1μm ~2μm的β型微米碳化硅。
5.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述羟基磷灰石粉末是指粒径为20~200nm的纳米羟基磷灰石。
6.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述挤压的条件是指采用双螺杆进行挤压；各区温度为：一区温度为370℃~375℃，二区温度为380℃~385℃，三区温度为390℃~395℃，四区温度为400℃~405℃；螺杆转速为100~900rpm。
7.如权利要求1所述的一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述注塑成型条件是指注塑机的注射模具温度为170℃~200℃，注射背压为2~4MPa，注射压力为170~180MPa。
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