CN111821511B - 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述重量百分数的组分经机械混合、挤出造粒、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂40%~99%、碳纤维0%~40%、碳化硅纳米颗粒0.5%~10%，氮化硼纳米颗粒0.5%~10%。本发明利用多元可水解的纳米颗粒的协同作用调节摩擦膜结构是设计制备高性能人工关节材料的新思路，有效提高了聚醚醚酮复合材料的摩擦学性能，可以作为人工关节假体材料应用于临床医学领域。

Description

一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料及应用
技术领域
本发明涉及植入体材料技术领域，尤其涉及一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料及应用。
背景技术
关节置换术是目前改善膝关节或髋关节终末期骨关节炎患者生活质量的最成功的临床治疗方法，因此研制耐用、可靠的关节假体具有重要意义。不幸的是，目前使用的材料耐久性有限，可靠性相对较低。陶瓷类假体有破碎的风险，远高于正常人体骨组织的弹性模量会带来应力遮挡效应，从而引发骨吸收造成骨质疏松、骨折等症状。金属-金属假体配副摩擦过程中产生的大量金属离子与金属磨屑，会引起毒性反应。传统的高分子类材料（如超高分子量聚乙烯）易发生蠕变，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）是一种生物相容性良好的半结晶聚合物，具有良好的机械性能与物理、化学稳定性，已广泛应用于人工脊柱领域。但是作为膝关节或髋关节材料，PEEK的耐磨性需进一步改善。此外关节滑液作为富含离子的电解质溶液，在PEEK基材料与金属材料配副作为人工关节时，金属腐蚀、磨损的相互促进作用会比单纯的腐蚀或摩损严重数倍乃至数十倍。目前，已有研究表明摩擦表面形成的摩擦膜对减少腐蚀磨损具有重要作用。在金属假体摩擦界面形成具有保护作用的、坚固的摩擦膜，PEEK基材料与金属假体配副的腐蚀磨损将得到有效的限制。
现有技术中在聚合物基材料中添加功能性填料、增强纤维被证明是提高材料的摩擦学性能的有效方法，但是人工关节材料的应用工况特殊，添加的功能性填料需要其满足生物相容性要求；同时，由于水基关节润滑介质往往会降低摩擦接触区域闪温，抑制聚合物材料的转移，最终影响摩擦膜的形成，进而影响摩擦学性能。目前，尚未有研究报导指出多元功能纳米颗粒的协同作用能进一步提高聚合物人工关节摩擦学性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种摩擦学性能优良的多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料的应用。
为解决上述问题，本发明所述的一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：该材料由下述重量百分数的组分经机械混合、挤出造粒、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂40%~99%、碳纤维0%~40%、碳化硅纳米颗粒0.5%~10%，氮化硼纳米颗粒0.5%~10%。
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。
所述碳化硅纳米颗粒是指粒度为10nm~100nm的β型碳化硅纳米颗粒。
所述氮化硼纳米颗粒是指尺寸为10~100nm的六方氮化硼纳米颗粒。
如上所述的一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料的应用，其特征在于：该聚醚醚酮基人工关节材料作为人工髋关节臼杯内衬，与金属材料为股骨头假体相配合。
如上所述的一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料的应用，其特征在于：该聚醚醚酮基人工关节材料作为人工膝关节胫骨垫片，与金属材料为股骨假体相配合。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明选用的两种纳米颗粒经摩擦产生的界面闪温发生水解，所产生的水解产物共同与关节滑液中可沉积的离子、材料磨损碎片等形成润滑性能优异、遮蔽能力强的摩擦膜，并表现出明显的协同效应，比添加单种纳米颗粒的摩擦学性能更为优异。
2、本发明选用材料皆具有良好的生物相容性，没有添加交联剂等助剂或未验证生物相容性的填料，避免了远期不良生理反应等问题的产生。
3、本发明利用多元可水解的纳米颗粒的协同作用调节摩擦膜结构是设计制备高性能人工关节材料的新思路，有效提高了聚醚醚酮复合材料在生理环境下的耐磨性能，提高了聚醚醚酮基人工关节材料的使用寿命；同时，由于形成坚固、遮蔽能力强的摩擦膜，减少了金属对偶的离子释放和金属磨屑的产生，从而提高了金属对偶的耐腐蚀性能，因此，可以作为人工关节假体材料应用于临床医学领域。
具体实施方式
实施例1 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂96%、碳化硅纳米颗粒2%、氮化硼纳米颗粒2%经机械混合后，采用螺杆转速为100~900rpm的双螺杆挤出机进行挤出造粒。其中：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℃。造粒结束后进入注塑机，在注射模具温度为170℃~200℃、注射筒温度375~385℃、注射背压为2~4MPa、注射压力为170~180MPa的条件下成型即得。
实施例2 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂95.5%、碳化硅纳米颗粒0.5%、氮化硼纳米颗粒4%经机械混合后，按实施例1所述条件进行挤出造粒、注射成型即得。
实施例3 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂94%、碳化硅纳米颗粒4%、氮化硼纳米颗粒2%经机械混合后，按实施例1所述条件进行挤出造粒、注射成型即得。
实施例4 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂86%、碳纤维10%、碳化硅纳米颗粒2%、氮化硼纳米颗粒2%经机械混合后，按实施例1所述条件进行挤出造粒、注射成型即得。
实施例5 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂99%、碳化硅纳米颗粒0.5%、氮化硼纳米颗粒0.5%经机械混合后，按实施例1所述条件进行挤出造粒、注射成型即得。
实施例6 一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，将聚醚醚酮树脂40%、碳纤维40%、碳化硅纳米颗粒10%、氮化硼纳米颗粒10%经机械混合后，按实施例1所述条件进行挤出造粒、注射成型即得。
上述实施例1~6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。碳化硅纳米颗粒是指粒度为10nm~100nm的β型碳化硅纳米颗粒。氮化硼纳米颗粒是指尺寸为10~100nm的六方氮化硼纳米颗粒。
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，各组分的重量分数为：聚醚醚酮树脂98%、氮化硼纳米颗粒2%。
对比例3 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的重量分数为：聚醚醚酮树脂96%、氮化硼纳米颗粒4%。
对比例4 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的重量分数为：聚醚醚酮树脂99.5%、碳化硅纳米颗粒0.5%。
对比例5 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的重量分数为：聚醚醚酮树脂98%、碳化硅纳米颗粒2%。
对比例6 材料制作方法及设备参数与实施例l相同，各组分的重量分数为：聚醚醚酮树脂96%、碳化硅纳米颗粒4%。
实施例1~6及对比例1~6中各原料的重量单位均为kg。
将实施例1~6及对比例1~6注塑后形成的样品分别加工成50mm×10mm×4mm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，钢环的外直径为60mm，试验载荷为400N，滑动速度为0.05m/s，摩擦磨损试验时间为5h。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。
磨损率
Figure DEST_PATH_IMAGE001
的计算公式：
Figure 29370DEST_PATH_IMAGE002
；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为磨痕长度，R为钢环外半径，W为磨痕宽度，F为载荷，L为总滑动距离。
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
Figure 759559DEST_PATH_IMAGE004
从表1可以看出，实施例1~6的摩擦系数与磨损率相较对比例l~6都有明显降低。同时添加碳化硅纳米颗粒与氮化硼纳米颗粒的聚醚醚酮基材料较单一组分的聚醚醚酮复合材料摩擦学性能更为优异，说明碳化硅纳米颗粒与氮化硼纳米颗粒的协同效应显著提高了材料的摩擦学性能和金属对偶的腐蚀磨损性能。
上述实施例1~6所得的聚醚醚酮基人工关节材料可作为人工髋关节臼杯内衬，与金属材料为股骨头假体相配合。该聚醚醚酮基人工关节材料还可以作为人工膝关节胫骨垫片，与金属材料为股骨假体相配合。

Claims (2)

1.一种多元纳米颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：该材料由下述重量百分数的组分经机械混合、挤出造粒、注塑成型制得：聚醚醚酮树脂40%~99%、碳纤维0%~40%、碳化硅纳米颗粒0.5%~10%，氮化硼纳米颗粒0.5%~10%；所述碳纤维是指单丝直径为7μm、长度为35~70μm的短切碳纤维；所述碳化硅纳米颗粒是指粒度为10nm~100nm的β型碳化硅纳米颗粒；所述氮化硼纳米颗粒是指尺寸为10~100nm的六方氮化硼纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的一种多元纳米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。
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