CN110680559B - 一种胸锁一体件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种胸锁一体件，包括胸骨片、锁骨条以及连接胸骨片和锁骨条的关节，胸骨片为片状，包含由加捻碳纤维绳编织物与碳纤维非织造布叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅；锁骨条为条状，包含加捻碳纤维绳编织物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅，或者，包含由加捻碳纤维绳编织物与碳纤维非织造布层叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅；关节为弹簧状，包含由加捻碳纤维绳编织而成的弹簧体及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅。该胸锁一体件具有质量轻、生物相容性好、化学稳定性好、力学性能与人体骨相近、疲劳性好、可设计性强、无伪影等特点，特别适合胸锁一体件重建使用。

Description

一种胸锁一体件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种胸锁一体件，具体涉及一种碳纤维复合材料胸锁一体件及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。
背景技术
因肿瘤、外伤导致胸锁关节周边大面积切除，为了维持胸壁的完整及其功能，需胸锁关节重建术。现有技术中常用的胸锁材料置换为钛及钛合金、镍钛合金、不锈钢等金属材料，其存在机械性能与自体骨相容性较差，植入物松动或脱位，局部致骨质疏松、骨吸收、骨折、骨愈合延缓等诸多问题。碳材料具有很好的生物相容性，其在生物医用的多方面得到应用，但是现有技术中还未见采用碳材料成功设计及制备胸锁一体件的相关报道。
发明内容
针对现有技术中的胸锁一体件材料存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供了一种碳纤维编制和仿形相结合的碳纤维复合材料胸锁一体件，该胸锁一体件具有质量轻、生物相容性好、化学稳定性好、力学性能与人体骨相近、疲劳性好、可设计性强、无伪影等特点，特别适合胸锁关节重建使用。
本发明的另一个目的是在于提供一种步骤简单、原料易得制备胸锁一体件的方法。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种胸锁一体件，包括胸骨片、锁骨条以及连接胸骨片和锁骨条的关节，所述胸骨片为片状，包含加捻碳纤维绳编织物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅，或者，包含由至少一层加捻碳纤维绳编织物与至少一层碳纤维非织造布叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅；所述锁骨条为条形，包含加捻碳纤维绳编织物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅，或者，包含由至少一层加捻碳纤维绳编织物与至少一层碳纤维非织造布层叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅；所述关节为弹簧状，包含由加捻碳纤维绳编织而成的弹簧体及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅。
本发明的胸锁一体件中胸骨片和锁骨条，其中连续碳纤维编织物层包含长碳纤维，主要提供强度支持，而碳纤维非织造布为短纤维构成，其设置在表层，利用其本身孔隙率高的特点，可为羟基磷灰石的附着及生物组织生长提供大量有效生物活性表面，同时利用其短纤维刺入内层碳纤维布内部，起到铆接作用，且有利于羟基磷灰石渗入至碳纤维布内部，从而可以有效利用胸骨片和锁骨条孔隙内部和表面的羟基磷灰石引导组织生长，以提高胸骨片和锁骨条与组织的结合能力(如果只采用非织造布层，其力学强度无法满足要求，如果只采用连续碳纤维编织物层其难以生成均匀羟基磷灰石层，生物相容性差，且力学性能也相应降低)。而表层通过粘附的羟基磷灰石可以提高生物相容性，形成有效过渡层，且同时可以降低基体碳和碳化硅颗粒的脱落与转移。关节用于连接胸骨片与锁骨，将采用加捻连续碳纤维编织成弹簧结构，不但使其具有较好拉伸刚性，且可以在任意角度在一定范围微动，满足胸骨片与锁骨连接要求。而锁骨作为上肢与躯干间唯一的骨性联系，维持肩关节在正常位置，要求其具有较高的强度，通过加捻碳纤维编织成条状的结构，具有高拉伸强度及拉伸模量，满足锁骨力学要求。锁骨也可以由加捻碳纤维编织成条状结构，进一步在其表面设置碳纤维非织造布，不但可以提高其表面孔隙率，还可以提高锁骨强度。
优选的方案，胸骨片和锁骨条中加捻碳纤维绳编织物与一层或两层碳纤维非织造布叠加针刺铆接成层状物，且当包含两层碳纤维非织造布时，加捻碳纤维绳编织物设置在两层碳纤维非织造布中间，形成“三明治”结构。加捻碳纤维绳编织物为与人体胸骨相似的片状结构，如编织成布、条、带等，或者加捻碳纤维绳编织物为与锁骨条相似的条状结构。通过引入碳纤维非织造布保持一定的孔隙率可便于组织细胞长入，提高组织相容性和与组织之间的结合能力。
较优选的方案，所述针刺铆接采用刺针穿入方式进行铆接，铆接点面密度为5点/cm2～25点/cm2；通过铆接可以提高加捻碳纤维绳编织物和碳纤维非织造布之间的结合强度，改善综合力学性能。
较优选的方案，所述加捻碳纤维绳编织物为单束或多束碳纤维束加捻绳的连续编织物。
较优选的方案，所述碳纤维束的捻度为10捻/m～500捻/m，单束碳纤维的碳纤维数量为1k、3k、6k、12k或24k(1k表示1千根碳纤维)。通过加捻可以提高碳纤维复合材料的力学性能。
较优选的方案，所述碳纤维非织造布的面密度为10g/m2～60g/m2。
优选的方案，胸骨片或锁骨条的孔隙及表面粘附有羟基磷灰石，羟基磷灰石的质量为胸骨片或锁骨条质量的5％～15％。通过引入羟基磷灰石可以引导组织生长，提高胸骨片与组织的相容性和结合能力。
优选的方案，所述锁骨条中加捻碳纤维绳编织物由多束碳纤维束加捻绳的连续编织物。较优选的方案，所述碳纤维束的捻度为10捻/m～500捻/m，单束碳纤维的碳纤维数量为1k、3k、6k、12k或24k。较优选为采用三束以上碳纤维加捻成绳。
优选的方案，所述关节由单束或多束碳纤维加捻绳编织成条状结构，再经模具辅助螺旋卷绕成弹簧结构；所述碳纤维束的捻度为10捻/m～500捻/m，单束碳纤维的碳纤维数量为1k、3k、6k、12k或24k。较优选的方案，由至少三根绳编织成条状结构。较优选的方案，弹簧结构至少为一节，可以为多节，起到类似人体锁骨与胸骨连接的关节作用，设置成弹簧结构，可满足胸锁关节各个方向的微动。
本发明还提供了一种胸锁一体件的制备方法，其包括以下步骤：
1)将单束或多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成片状结构或条状结构，或者，将多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成片状结构或条状结构，通过针刺方式在片状结构或条状结构表面铆接碳纤维非织造布，即得胸骨片或锁骨条预制体；将单束或多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成条状结构，条状结构经模具辅助螺旋卷绕成弹簧结构，即得关节预制体；将关节预制体两端伸入锁骨条预制体和胸骨片预制体的连接端内部，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2)将碳纤维胸锁一体件预制体通过化学气相渗透法和/或浸渍-裂解法和/或反应融渗法生成基体碳和/或碳化硅基体，即得；或者，进一步在胸骨片和/或锁骨条孔隙及表面生成羟基磷灰石，即得。
优选的方案，所述羟基磷灰石通过等离子喷涂、电化学沉积或溶胶-凝胶法生成。
本发明的胸骨片、锁骨条以及关节的编织过程采用的碳纤维束都经过了加捻，经过加捻后获得的编织物可以大幅度提高刚性，提升弯曲模量。
本发明的技术方案中将关节预制体两端残留的碳纤维嵌入锁骨条预制体和胸骨片预制体的连接端内部，或者可以进一步通过碳纤维缝合加固处理，或者关节预制体两端碳纤维连续延伸入锁骨条预制体和胸骨片预制体内部形成，形成胸锁一体件碳纤维预制体。
本发明的模具如碳材料制成的管状或棒状结构。
本发明的化学气相渗透工艺：将碳纤维胸锁一体件预制体放入真空炉中，在850℃～1300℃温度下，通入的含碳气源(天然气、甲烷或丙烯等，氮气或氢气为稀释气体，碳源气体与氢气流量比为1:0.1～2)和/或硅源(三氯甲基硅烷，氢气为载气和稀释气体，三氯甲基硅烷与氢气的流量比为1:1～10)经过热解后，化学气相渗透在碳纤维坯料中，经过10小时～100小时，制备成碳纤维复合材料坯体。本发明的化学气相渗透工艺可以先生成基体碳，再生成碳化硅，或者先生成碳化硅，再生成碳，获得以碳化硅和碳复合基体的碳纤维复合材料坯体。
本发明的浸渍-裂解工艺：碳纤维预制体经过树脂(呋喃、酚醛和槺酮等)或沥青(石墨沥青、煤沥青)或含硅前驱体(聚碳硅烷PCS、聚甲基硅烷PMS)真空加压浸渍、固化处理(树脂)、裂解(树脂：900℃～1050℃，常压；沥青：750℃～850℃，50MPa～200MPa；含硅前驱体：800℃～1150℃)等致密化工艺。浸渍压力为1.0～5.0MPa，浸渍时间为2小时～10小时；固化温度为160℃～230℃，固化时间为1小时～50小时，裂解时间为2小时～20小时；其中硅基陶瓷化温度为1200℃～1600℃，时间为2小时～10小时。本发明的液体浸渍-裂解工艺还可以先致密基体碳，再致密碳化硅，或者先致密碳化硅，再致密基体碳，获得以碳化硅和碳复合基体的碳纤维复合材料坯体。
本发明还可以采用化学气相渗透结合浸渍-裂解工艺来生成基体碳和/或碳化硅基体。
本发明的反应融渗法生成碳化硅基体条件为：硅粉粒度为1μm～50μm；熔渗温度为1450℃～1750℃，时间为1小时～6小时。在采用反应融渗法生成碳化硅基体时，最好是先生成碳基体，减少对碳纤维损害。
本发明的坯体还可以进行高温除杂处理，处理工艺条件为：温度为1500℃～2300℃，保温时间为1小时～10小时。本发明的羟基磷灰石制备工艺条件为：
(1)等离子喷涂法：
1)羟基磷灰石粉末粒度为20μm～150μm；2)等离子喷涂功率为20kW～40kW；3)热处理温度为600℃～800℃，时间为1小时～5小时。
(2)电化学沉积：
1)含磷与含钙溶液中Ca离子与P离子的比例为1.67；2)电流密度0.5mA/cm2～3mA/cm2；3)沉积时间为20min～150min；4)电解液温度为25℃～90℃；5)热处理温度为700℃～1000℃，时间为1小时～5小时。
(3)溶胶-凝胶法:
1)溶胶由含磷化合物、乙醇与钙盐混合反应而成，其中Ca原子与P原子的比例为1.67；2)凝胶温度为80℃～120℃，时间为3小时～20小时；3)热处理温度为400℃～800℃，时间为1小时～5小时。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
本发明的胸锁一体件采用碳纤维复合材料，具有质量轻、生物相容性好、化学稳定性好、力学性能与人体骨相近、疲劳性好、可设计性强、无伪影等特点，特别适合胸锁一体件重建使用。
本发明的胸锁一体件均有加捻碳纤维编织而成的整体结构，具有较好的力学性能。胸骨片表面具有一定孔隙度，有利于组织细胞生长至内部，提高与组织的结合能力，同时包含羟基磷灰石可以提高生物相容性，形成有效过渡层，降低碳基颗粒脱落与转移。而关节具有弹簧结构可以在任意角度微动，满足关节应用要求，而锁骨条力学性能好，具有足够的力学承受能力，且锁骨条的表层也可以具有一定孔隙度，有利于组织细胞生长至内部，提高与组织的结合能力，同时包含羟基磷灰石可以提高生物相容性，形成有效过渡层，降低碳基颗粒脱落与转移。
本发明的胸锁一体件具有良好的机械性能，如胸骨片：拉伸强度为120MPa～300MPa，拉伸模量为3GPa～30GPa，弯曲强度≥180MPa。锁骨条：拉伸强度为120MPa～300MPa，拉伸模量为3GPa～30GPa。关节：拉伸刚度为1.0kg/mm～5.0kg/mm。
本发明的胸锁一体件是碳纤维编制技术和仿形相结合产物，完全根据实际形貌结构设计并制备，满足手术需要。
附图说明
图1加捻连续碳纤维编织物结构图。
图2为实施例1制备的胸锁关节一体件中胸骨片三层结构形貌图，表层为非织造布(即为短纤维层)，中间为加捻碳纤维连续编织布；
图3为实施例1胸骨片表面形貌图；
图4为胸锁关节一体件；(a)为骨骼模型；(b)为设计效果图；(c)为实际样品。
具体实施方式
以下实施例旨在进一步说明本发明内容，而不是限制本发明权利要求保护范围。
实施例1
1)将2束6k碳纤维加捻成碳纤维绳，捻度为200捻/m；然后将24根加捻的碳纤维绳编制成条状连续碳纤维编织物。采用刺针将面密度为30g/m2的碳纤维非织造布铆接在连续碳纤维编织物上，铆接点密度为10点/cm2，得到碳纤维胸骨片预制体。将2束6k碳纤维加捻绳，捻度为200捻/m，10根加捻碳纤维绳编织成条，得到碳纤维锁骨条预制体。将2束6k碳纤维加捻绳，捻度为200捻/m，5根碳纤维绳编织成条，然后经棒状碳材料模具螺旋卷绕成弹簧，弹簧圈数为1圈，得到碳纤维关节预制体。将关节预制体两端的碳纤维伸入锁骨条和胸骨片的连接端碳纤维内部，并采用碳纤维缝合，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2)将碳纤维胸锁一体件预制体放入真空炉中，在1100℃温度下，通入的含三氯甲基硅烷，(三氯甲基硅烷与氢气的体积比为1:5，经过热解后，化学气相渗透在碳纤维坯料中，经过50小时，制备成碳纤维增强碳化硅复合材料坯体。
3)在坯体的胸骨片表面通过等离子喷涂生成羟基磷灰石，工艺条件：羟基磷灰石粉末粒度为50μm；等离子喷涂功率为30kW；热处理温度为700℃，时间为3小时；羟基磷灰石的质量占胸骨片质量的10％。
制备的胸锁一体件力学性能：
胸骨片：拉伸强度为180MPa，拉伸模量为21GPa，弯曲强度为235MPa。
锁骨条：拉伸强度为165MPa，拉伸模量为15GPa。
关节：拉伸刚度为3.1kg/mm。
且胸骨片表面孔隙率高，羟基磷灰石可以渗入孔隙内部，且表层羟基磷灰石粘附均匀。
实施例2
1)将3束12k碳纤维加捻成碳纤维绳，捻度为300捻/m；然后将12根加捻的碳纤维绳编制成条状连续碳纤维编织物。采用刺针将面密度为20g/m2的碳纤维非织造布铆接在连续碳纤维编织物两表面，形成夹心结构，铆接点密度为10点/cm2，得到碳纤维胸骨片预制体。将3束12k碳纤维加捻绳，捻度为500捻/m，6根加捻碳纤维绳编织成条，得到碳纤维锁骨条预制体。将3束12k碳纤维加捻绳，捻度为200捻/m，3根碳纤维绳编织成条，然后经棒状碳材料模具螺旋卷绕成弹簧，弹簧圈数为2圈，得到碳纤维关节预制体。将关节预制体两端的碳纤维伸入锁骨条和胸骨片的连接端碳纤维内部，并采用碳纤维缝合，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2)将碳纤维胸锁一体件预制体放入真空炉中，在1150℃温度下，通入的含体积比为1：1：3的天然气、三氯甲基硅烷及氢气，经过热解后，化学气相渗透在碳纤维坯料中，经过60小时，制备成碳纤维增强碳和碳化硅复合材料坯体。
3)在坯体的胸骨片表面通过电化学沉积生成羟基磷灰石，工艺条件为：采用磷酸二氢氨与与硝酸钙混合溶液溶液，其中Ca离子与P离子的比例为1.67；电流密度为1mA/cm2；沉积时间为50min；电解液温度为30℃；热处理温度为800℃，时间为3小时；羟基磷灰石的质量占胸骨片质量的13％。
制备的胸锁一体件力学性能：
胸骨片：拉伸强度为220MPa，拉伸模量为25GPa，弯曲强度为240MPa。
锁骨条：拉伸强度为185MPa，拉伸模量为23GPa。
关节：拉伸刚度为4.0kg/mm。
且胸骨片表面孔隙率高，羟基磷灰石可以渗入孔隙内部，且表层羟基磷灰石粘附均匀。
实施例3
1)将2束24k碳纤维加捻成碳纤维绳，捻度为100捻/m；然后将12根加捻的碳纤维绳编制成条状连续碳纤维编织物。采用刺针将面密度为25g/m2的碳纤维非织造布铆接在连续碳纤维编织物两表面，形成夹心结构，铆接点密度为12点/cm2，得到碳纤维胸骨片预制体。将2束24k碳纤维加捻绳，捻度为100捻/m，5根加捻碳纤维绳编织成条，得到碳纤维锁骨条预制体。将2束24k碳纤维加捻绳，捻度为100捻/m，3根碳纤维绳编织成条，然后经棒状碳材料模具螺旋卷绕成弹簧，弹簧圈数为2圈，得到碳纤维关节预制体。将关节预制体两端的碳纤维伸入锁骨条和胸骨片的连接端碳纤维内部，并采用碳纤维缝合，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2)将碳纤维胸锁一体件预制体经过酚醛树脂真空加压浸渍、固化处理、碳化等致密化工艺。浸渍压力3.0MPa，时间为4小时；固化温度为180℃，时间为14小时；裂解温度为1000℃，时间为8小时，制备成碳纤维复合材料坯体。
3)在坯体的胸骨片表面通过溶胶-凝胶法生成羟基磷灰石，工艺条件为：溶胶由五氧化二磷、乙醇与硝酸钙混合反应而成，其中Ca原子与P原子的比例为1.67；凝胶温度为90℃，时间为10小时；热处理温度为650℃，时间为3小时；羟基磷灰石的质量占胸骨片质量的10％。
制备的胸锁一体件力学性能：
胸骨片：拉伸强度为140MPa，拉伸模量为12GPa，弯曲强度为190MPa。
锁骨条：拉伸强度为130MPa，拉伸模量为4GPa。
关节：拉伸刚度为2.2kg/mm。
且胸骨片表面孔隙率高，羟基磷灰石可以渗入孔隙内部，且表层羟基磷灰石粘附均匀。
实施例4
1)将3束12k碳纤维加捻成碳纤维绳，捻度为200捻/m；然后将12根加捻的碳纤维绳编制成条状连续碳纤维编织物。采用刺针将面密度为18g/m2碳纤维非织造布铆接在连续碳纤维编织物两表面，形成夹心结构，铆接点密度为12点/cm2，得到碳纤维胸骨片预制体。将2束12k碳纤维加捻绳，捻度为100捻/m，5根加捻碳纤维绳编织成条，采用刺针将面密度为18g/m2、厚度为1.2mm的碳纤维非织造布铆接在条状纤维编织物上表面，铆接点密度为12点/cm2，得到碳纤维锁骨条预制体。将4束12k碳纤维加捻绳，捻度为150捻/m，3根碳纤维绳编织成条，然后经棒状碳材料模具螺旋卷绕成弹簧，弹簧圈数为2圈，得到碳纤维关节预制体。将关节预制体两端的碳纤维伸入锁骨条和胸骨片的连接端碳纤维内部，并采用碳纤维缝合，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2)将碳纤维胸锁一体件预制体放入真空炉中，在1150℃温度下，通入甲烷，氮气或氢气为稀释气体，甲烷与氢气流量比为1:1)经过热解20小时，再通入三氯甲基硅烷，采用氢气作为稀释气，三氯甲基硅烷与氢气流量比为1:1，制备成碳纤维复合材料坯体。
3)在坯体的胸骨片表面通过溶胶-凝胶法生成羟基磷灰石，工艺条件为：
1)溶胶由五氧化二磷、乙醇与硝酸钙混合反应而成，其中Ca原子与P原子的比例为1.67；2)凝胶温度为80℃，时间为8小时；3)热处理温度为650℃，时间为3小时。
制备的胸锁一体件力学性能：
胸骨片：拉伸强度为165MPa，拉伸模量为15GPa，弯曲强度为205MPa。
锁骨条：拉伸强度为165MPa，拉伸模量为15GPa。
关节：拉伸刚度为1.8kg/mm。
且锁骨条表面明显含有明显孔隙，胸骨片表面孔隙率高，羟基磷灰石可以渗入孔隙内部，且表层羟基磷灰石粘附均匀。

Claims (3)

1.一种胸锁一体件，包括胸骨片、锁骨条以及连接胸骨片和锁骨条的关节，其特征在于：
所述胸骨片为片状，由一层加捻碳纤维绳编织物与一层或两层碳纤维非织造布叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅构成；
所述锁骨条为条形，由一层加捻碳纤维绳编织物与一层或两层碳纤维非织造布层叠加的层状物及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅构成；
所述关节为弹簧状，包含由加捻碳纤维绳编织而成的弹簧体及其碳纤维间填充的基体碳和/或碳化硅；所述关节由单束或多束碳纤维加捻绳编织成条状结构，再经模具辅助螺旋卷绕成弹簧状；
所述加捻碳纤维绳编织物为单束或多束碳纤维束加捻绳的连续编织物；
所述碳纤维束的捻度为10捻/m~500捻/m，单束碳纤维的碳纤维数量为1k、3k、6k、12k或24k；
胸骨片或锁骨条中包含两层碳纤维非织造布时，加捻碳纤维绳编织物设置在两层碳纤维非织造布中间；
所述加捻碳纤维绳编织物与碳纤维非织造布通过针刺铆接，所述针刺铆接采用刺针穿入方式进行铆接，铆接点面密度为5点/cm2~25点/cm2；
所述碳纤维非织造布的面密度为10 g/m2~60 g/m2；
胸骨片或锁骨条的孔隙及表面粘附有羟基磷灰石，羟基磷灰石的质量为胸骨片或锁骨条质量的5%~ 15%。
2.权利要求1所述的一种胸锁一体件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将单束或多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成片状结构或条状结构，或者，将多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成片状结构或条状结构，通过针刺方式在片状结构或条状结构表面铆接碳纤维非织造布，即得胸骨片或锁骨条预制体；将单束或多束碳纤维加捻成绳，再将绳编织成条状结构，条状结构经模具辅助螺旋卷绕成弹簧结构，即得关节预制体；将关节预制体两端伸入锁骨条预制体和胸骨片预制体的连接端内部，形成胸锁一体件碳纤维预制体；
2）将碳纤维胸锁一体件预制体通过化学气相渗透法和/或浸渍-裂解法和/或反应融渗法生成基体碳和/或碳化硅基体，即得；或者，进一步在胸骨片和/或锁骨条孔隙及表面生成羟基磷灰石，即得。
3.根据权利要求1所述的一种胸锁一体件的制备方法，其特征在于：所述羟基磷灰石通过等离子喷涂、电化学沉积或溶胶-凝胶法生成。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111925226B (zh) * 2020-01-19 2022-04-08 湖南碳康生物科技有限公司 一种碳纤维复合材料颅骨补片及其制备方法
CN113831147A (zh) * 2021-10-09 2021-12-24 上海世碳复合材料科技有限公司 一种碳碳复合材料人造骨骼

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101683537A (zh) * 2008-09-25 2010-03-31 上海聚睿生物材料有限公司 一种组织工程肌腱复合支架材料及其制备方法和用途
CN205494477U (zh) * 2016-03-09 2016-08-24 山东中恒碳纤维科技发展有限公司 一种三维编织复合材料假肢
CN107285796A (zh) * 2017-07-21 2017-10-24 湖南金博碳素股份有限公司 碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法
CN107518962A (zh) * 2017-08-23 2017-12-29 长沙雅康生物科技有限公司 一种碳纤维复合材料人工骨及其制备方法
CN107648666A (zh) * 2016-07-26 2018-02-02 华沙整形外科股份有限公司 可植入网
CN208864880U (zh) * 2017-11-01 2019-05-17 西南交通大学 一种组配式多孔状骨组织工程支架
CN110022799A (zh) * 2016-10-13 2019-07-16 德菲公司 单向致动的外骨骼设备
CN110022801A (zh) * 2016-12-02 2019-07-16 3M创新有限公司 具有隆起部的肌肉或关节支撑制品
CN209136987U (zh) * 2017-08-23 2019-07-23 湖南碳康生物科技有限公司 一种碳/碳复合材料人工胸骨骨架
CN110167606A (zh) * 2016-11-16 2019-08-23 艾斯丘莱普股份公司 用于治疗骨缺陷的植入物和套件

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3707006A (en) * 1970-08-26 1972-12-26 Gulf Oil Corp Orthopedic device for repair or replacement of bone
US5491198A (en) * 1992-02-24 1996-02-13 Clemson University Process for phosphonylating the surface of an organic polymeric preform
CN1096282C (zh) * 1998-09-30 2002-12-18 陶智潞 一种人工颅骨修复材料及其制造方法
US20120316648A1 (en) * 1999-08-18 2012-12-13 Intrinsic Therapeutics, Inc. Intervertebral disc reinforcement systems
WO2002034111A2 (en) * 2000-10-24 2002-05-02 Cryolife, Inc. In situ bioprosthetic filler and methods, particularly for the in situ formation of vertebral disc bioprosthetics
DE10312144B4 (de) * 2003-03-13 2006-12-14 Technische Universität Dresden Trägermaterial für die Gewebe- und Zellkultur und die Herstellung von Implantatmaterialien
US7632291B2 (en) * 2003-06-13 2009-12-15 Trivascular2, Inc. Inflatable implant
JP2008013672A (ja) * 2006-07-06 2008-01-24 Kyoto Institute Of Technology エポキシ樹脂硬化物多孔体と繊維を含んでなる複合材料
US20080269914A1 (en) * 2007-03-19 2008-10-30 Qfix Systems, Llc Direct contact moldable low temperature thermoplastic prosthetic devices
WO2012053037A1 (ja) * 2010-10-21 2012-04-26 Shikinami Yasuo 相補的に強化された強化複合体及びその製造方法
CN102499793B (zh) * 2011-10-25 2015-08-19 陶健 新型碳纤维隆鼻假体的制造方法
CN102764453B (zh) * 2012-07-26 2014-09-24 倪昕晔 一种个性化碳-碳复合材料人工骨的制备方法
CN103350513B (zh) * 2012-12-03 2015-08-26 上纬（上海）精细化工有限公司 碳纤维预浸料及其制备方法
JP2016525379A (ja) * 2013-05-23 2016-08-25 ２０６ オーソ，インコーポレーテッド 複合材インプラントの提供および使用を含む、骨折を治療するための、ならびに／または、骨を補強および／もしくは増強するための方法および装置
CN107109778A (zh) * 2014-08-19 2017-08-29 国立大学法人北海道大学 包含织物和聚两性电解质水凝胶的复合材料及其制备方法
CN106983588B (zh) * 2017-05-11 2023-10-27 武汉云云天下信息科技有限公司 一种可自适应人体结构的外骨骼机器人
CN108404227A (zh) * 2018-03-09 2018-08-17 中南大学 一种c／c复合材料接骨板及其制备方法
CN108904879B (zh) * 2018-06-22 2021-04-30 朱波 一种热固性耐劈裂碳纤维复合材料假肢的制备及其结构

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101683537A (zh) * 2008-09-25 2010-03-31 上海聚睿生物材料有限公司 一种组织工程肌腱复合支架材料及其制备方法和用途
CN205494477U (zh) * 2016-03-09 2016-08-24 山东中恒碳纤维科技发展有限公司 一种三维编织复合材料假肢
CN107648666A (zh) * 2016-07-26 2018-02-02 华沙整形外科股份有限公司 可植入网
CN110022799A (zh) * 2016-10-13 2019-07-16 德菲公司 单向致动的外骨骼设备
CN110167606A (zh) * 2016-11-16 2019-08-23 艾斯丘莱普股份公司 用于治疗骨缺陷的植入物和套件
CN110022801A (zh) * 2016-12-02 2019-07-16 3M创新有限公司 具有隆起部的肌肉或关节支撑制品
CN107285796A (zh) * 2017-07-21 2017-10-24 湖南金博碳素股份有限公司 碳基复合材料螺旋弹簧及生产方法
CN107518962A (zh) * 2017-08-23 2017-12-29 长沙雅康生物科技有限公司 一种碳纤维复合材料人工骨及其制备方法
CN209136987U (zh) * 2017-08-23 2019-07-23 湖南碳康生物科技有限公司 一种碳/碳复合材料人工胸骨骨架
CN208864880U (zh) * 2017-11-01 2019-05-17 西南交通大学 一种组配式多孔状骨组织工程支架

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