CN113244452A - 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成：聚醚醚酮树脂80%~99.8%、碳化硼颗粒0.2%~20%。本发明所得的聚醚醚酮复合材料不但提高了聚合物对偶在人体体液环境中的摩擦学性能，而且可以抑制金属对偶的腐蚀磨损，可以作为人工关节假体材料应用于临床医学领域。

Description

一种碳化硼增强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，尤其涉及一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料。
背景技术
由于全关节置换术被越来越多地应用于生活方式更积极、预期寿命更长的年轻患者，植入材料的可靠性也成为一个日益关注的问题。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）-金属关节假体配副大量使用并在20世纪70年代中期以来占据主导地位。随着越来越多的报道表明聚乙烯碎片是假体周围骨溶解的主要因素，开发新型的聚合物对金属关节假体具有重要意义。
聚醚醚酮(PEEK)是一种高性能的工程塑料，具有良好的生物相容性和机械强度，已成功应用于临床领域。但当其与钴合金（CoCrMo）、钛合金（Ti6Al4V）等惰性金属在腐蚀环境如人体体液中相对滑动时，惰性金属表面的氧化膜会因相对运动而受损，惰性金属会受到机械和电化学过程之间的相互作用，前者包括磨损、粘着和疲劳等经典磨损机制，后者包括阳极溶解和钝化氧化膜的再形成。在大多数情况下，摩擦腐蚀造成的材料损失大于两个过程独立作用的叠加。剧烈恶化的金属表面进一步造成聚合物对偶的大量材料损失。因此，聚醚醚酮在体液环境中的耐磨性能仍需进一步优化。
目前往往通过在聚合物基材料中添加功能性填料来改善摩擦界面的成膜状况，来优化聚合物的摩擦学性能。但是，在体液环境中所涉及的多种成分都有可能对摩擦界面摩擦膜的形成造成影响。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。干摩擦的研究经验往往不能成功地应用于体液环境。因此，亟需一种摩擦学性能优异的新材料，用于制作应用于人体体液环境的人工关节假体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于人体体液环境的摩擦性能优良的碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料。
为解决上述问题，本发明所述的一种碳化硼增强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经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成：聚醚醚酮树脂80%~99.8%、碳化硼（B4C）颗粒0.2%~20%。
所述聚醚醚酮树脂是指医用级聚醚醚酮（PEEK）树脂粉末或粒料。
所述碳化硼（B4C）颗粒的粒径为20 nm~2 μm。
所述干燥的条件是指温度为80~90℃，时间为12小时。
所述挤出造粒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。
所述注塑成型的条件是指注射模具温度为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、本发明采用均具有良好生物相容性的材料制得碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料在体液环境摩擦过程中，暴露在摩擦界面的碳化硼会发生摩擦化学反应水解，水解产物与聚合物磨屑、金属碎片、溶液中的钙离子、磷酸根离子等在摩擦界面处形成了润滑性能优异、遮蔽性强的富磷酸钙摩擦膜，不但提高了聚合物对偶在人体体液环境中的摩擦学性能，而且可以抑制金属对偶的腐蚀磨损。
2、本发明所得的聚醚醚酮复合材料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1~5及对比例在干磨条件下的摩擦系数随时间的变化曲线。
图2为本发明实施例1~5及对比例在模拟体液环境下的摩擦系数随时间的变化曲线。
具体实施方式
一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由下述体积百分数的经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成：聚醚醚酮树脂80%~99.8%、碳化硼（B4C）颗粒0.2%~20%。
其中：聚醚醚酮树脂是指医用级聚醚醚酮（PEEK）树脂粉末或粒料。
碳化硼（B4C）颗粒的粒径为20 nm~2 μm。
实施例1 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由聚醚醚酮树脂99.8L、B4C颗粒0.2L经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
具体制备过程如下：
首先按配比称重，并将聚醚醚酮树脂、碳化硼（B4C）颗粒分别于80~90℃干燥12小时，然后将干燥后的聚醚醚酮、碳化硼机械混合均匀，得到混合物；混合物放入双螺杆挤出机进行挤出造粒，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。造粒后采用注塑机进行注塑，注射模具温度为170~200℃，注射背压为2~4MPa，注射压力为170~180MPa。注塑成型结束即得。
实施例2 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由聚醚醚酮树脂99.5L、B4C颗粒0.5L按实施例1的方法经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
实施例3 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由聚醚醚酮树脂99L、B4C颗粒1L按实施例1的方法经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
实施例4 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由聚醚醚酮树脂96L、B4C颗粒4L按实施例1的方法经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
实施例5 一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，该材料由聚醚醚酮树脂90L、B4C颗粒10L按实施例1的方法经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
上述实施例1~5中聚醚醚酮树脂是指医用级聚醚醚酮（PEEK）树脂粉末或粒料，B4C颗粒的平均粒径为135 nm。
对比例 由聚醚醚酮树脂100L按实施例1的方法及设备参数经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成。
其中：聚醚醚酮树脂是指医用级聚醚醚酮（PEEK）树脂粉末或粒料。
将实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5及对比例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50mm，试验载荷为300N，滑动速度为0.05m/s，摩擦磨损试验时间为3h。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。
磨损体积的计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中：V为特征磨损体积，mm3；l为聚合物试样的宽度，mm；R为对偶钢环的半径，mm；b为磨痕的宽度，mm。每次试验重复三次，记录摩擦系数与磨痕宽度。
磨损体积的结果如表1所示：
表1在干磨和模拟体液润滑条件下高速环-块摩擦磨损试验数据
Figure 911938DEST_PATH_IMAGE002
从表1可以看出，对比例在模拟体液润滑条件下的磨损体积是干磨条件下的2.14倍，纯聚醚醚酮与金属对偶在体液环境中的腐蚀磨损造成比干磨条件下更大的材料损失。在相同条件下，实施例1~5耐磨性能均高于对比例，表明碳化硼的添加能有效提高聚醚醚酮的耐磨性能。随着碳化硼含量的升高，实施例1~5在模拟体液润滑条件下的耐磨性能迅速提高。实施例3~5在模拟体液中的磨损体积均小于干磨条件。
此外，由实施例1~5和对比例在干磨和模拟体液环境中的摩擦系数随时间的变化（见附图1、图2）可以看出，干磨条件下碳化硼的添加不能降低聚醚醚酮的摩擦系数。在模拟体液润滑下，不同比例的碳化硼均能大幅地降低摩擦系数。因此，本发明制备的聚醚醚酮复合材料尤其适合作为人工关节材料在体液环境下工作。

Claims (6)

1.一种碳化硼增强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经干燥、机械混合、挤出造粒、注塑成型制成：聚醚醚酮树脂80%~99.8%、碳化硼颗粒0.2%~20%。
2.如权利要求1所述的一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述聚醚醚酮树脂是指医用级聚醚醚酮树脂粉末或粒料。
3.如权利要求1所述的一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述碳化硼颗粒的粒径为20 nm~2 μm。
4.如权利要求1所述的一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述干燥的条件是指温度为80~90℃，时间为12小时。
5.如权利要求1所述的一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述挤出造粒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。
6.如权利要求1所述的一种碳化硼增强聚醚醚酮基人工关节材料，其特征在于：所述注塑成型的条件是指注射模具温度为170~200℃，注射背压为2~4MPa，注射压力为170~180MPa。
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