CN115634313B - 一种具有高各向异性系数的弹性体及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有高各向异性系数的弹性体及其制备方法，所述弹性体由基底材料和高分子预聚液制成，其各向异性系数大于10，压缩模量的范围为1‑30MPa，可压缩应变率大于60％，结构简单、生产难度低、便于普及。本发明还涉及一种用前述弹性体制备的机械仿生结构，由本发明弹性体制备的人工椎间盘力学适配性高于现有技术中的金属椎间盘、金属与聚合物椎间盘、纯高分子聚合物椎间盘或仿生纤维椎间盘，因此不易引发炎症，使用寿命也会高于现有技术中的人工椎间盘，还能让使用者在多个维度实现运动自由，减少运动中的不适感，满足了使用者对于多方向运动灵活的要求。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种具有高各向异性系数的弹性体及其制备方法和用途。
背景技术
关节和椎间盘是人体特殊的需要长期承载压应力的软组织，这些盘状的软垫就像“减震器”一样吸收震荡，同时保持间盘和椎体或骨与骨的连接，利于旋转，拉伸和颈部弯曲的运动。随着年岁的增长或不良习惯的养成，这些软组织可能产生退行性病变，从而带来各种疾病。人工颈椎间盘置换术与髋、膝关节置换术既有共同点又有差别,他们的目的都是要保留关节的运动功能。在最近20年间,人工颈椎间盘装置蓬勃发展,在形状设计、材料选择及生物力学方面均有很大的进展,目前的材料设计包括金属、金属与聚合物复合、高分子聚合物、纤维绞线与高分子复合的替代假体。
金属替代假体如专利US6375682公开了一种人造椎间盘，该已知的盘由彼此相对定位的两个金属板和波纹管(bellows)以及弹簧的中间系统组成，每个金属板贴着两节连续的椎体的相对的侧面，并且每个金属板被连接到其上，所述中间系统允许金属板和与其相连的椎体之间的运动。该已知的结构具有如下缺陷：其在机械上是复杂的，并且由于使用硬材料，例如与身体部分相接触的金属，其力学性能与人体组织有2-3个数量级的差别，其力学适配性较差，存在着引起局部排异性炎症或是骨质增生的风险。
金属与聚合物复合替代假体如Bryan颈椎人工椎间盘，由金属对聚合物的密封的结构而组成。其中的聚合物髓核既能承载负荷又具有一定的弹性，且具有各种不同的旋转轴，于2002年在美国境内开始临床试验。为了满足椎间盘需要承载较高的负重，Bryan颈椎人工椎间盘中间使用的聚合物为各向同性的聚氨酯(polyurethane)块体，但是这种结构的设计造成其在其它方向运动困难。
专利CN111938883A公开了一种仿生椎间盘，其外膜套装在仿生纤维环外层上，仿生纤维环和外膜上下两端分别与上终板下表面和下终板上表面连接，上终板上表面和下终板下表面均设有连接耳部。仿生纤维环由聚乙烯纤维材料编织而成，呈正六面体晶格结构且为非均匀分布，增强局部抗拉或抗扭强度。此专利将柔性聚氨酯材料梯形环和刚性机构组合使用，虽然有效维持椎间高度，还有较好的缓冲、减震的作用，但是根据说明书附图可看出其结构复杂，生产技术难度较大，不便于普及。同时也存在金属的力学适配性较差，容易引发炎症等问题。
专利CN101612072A公开了一种人工椎间盘，所述人工椎间盘具有预定的椎间盘形状或部分椎间盘形状，并且由具有形状记忆性能的形状记忆高分子材料制成。在实施例中，形状记忆高分子材料为聚氨酯、聚降冰片烯、反式1,4-聚异戊二烯或苯己烯-丁二烯共聚物。其人工椎间盘是由各向同性系数的高分子聚合物构成，不满足目前人工椎间盘对各向异性系数的要求，即无法满足多方向运动灵活的要求。
为了解决上述问题，Orthofix公司设计出了m6 artifical annulus人工椎间盘，摒弃前述技术中的金属原料，将纤维和高分子弹性体进行结合，其由编制好后的聚乙烯纤维绞线链接上下骨板的最外侧，并使用具有黏弹性特征的弹性体来替代polyurethane块体置于最内测。聚乙烯纤维绞线和具有黏弹性特征的弹性体之间并无连接，仅依靠摩擦力传递相互作用力。这个工艺在满足了基本的承重前提之下，还提供了多达6个维度的运动自由度。然而此设计较为复杂，需要多个部件的配合安装，同时聚乙烯纤维绞线与弹性体仅有极小的接触面积，同时存在着较大的摩擦相互作用，极易引起弹性体或纤维表面的损伤，进而降低产品的使用寿命。
专利CN10045995C公开了一种人造椎间盘，包含柔软材料的核，所述核具有扁平体的形状，具有通过侧表面连接的下侧面和上侧面，所述下侧面和上侧面具有圆状的形状，优选是圆形或椭圆形，围绕所述核施加了至少基本沿径向定向的抗拉纤维缠绕物。围绕核，沿至少大致的径向施加抗拉纤维缠绕物。这样被围绕核施加的缠绕物能够允许核在脊柱纵向上的一定的形状变化，但在垂直于脊柱的方向上却不允许或仅仅很少允许。也就是想要人造椎间盘有纵向的形状变化，其抗拉纤维缠绕物就要纵向缠绕，但是人体所需的椎间盘不仅要有纵向运动，还要有其他各个方向的运动，此时此专利的纤维就需要对各种方向进行缠绕，虽然可以有多于6个维度的运动，但是仍然不能满足实际应用，若人体用此人造椎间盘，必会有某一方向的运动受到限制，从而造成多种不适感。
目前，现有技术将纤维复合材料应用于人造椎间盘领域，但现有纤维复合材料有以下缺点：1)基材方面：基本都是基于环氧树脂等刚性材料，这类材料的泊松比远低于0.5，模量较大，并非普遍适用于医工替代材料的弹性体。2)纤维选材方面：多使用为玻璃纤维或碳纤维，均使用了机织布机构，具有经纬分布的特点，刚性强，与高分子结合能力弱，结合后的各项异性系数低，严重限制了弹性体耐压缩性能。在人工椎间盘领域无法满足多方向运动灵活的要求。
基于上述现有技术的情况，现有技术中存在所制备的人工椎间盘存在各向异性系数低、结构复杂、易与正常人体组织摩擦或产生碎屑、引起人体组织发炎、多方向运动不灵活、使用寿命短等亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种具有高各向异性系数的弹性体，所述弹性体由基底材料和高分子预聚液制成，所述弹性体的各向异性系数大于10，其计算公式如下：
其中，N为各向异性系数，Ev为垂直于基底材料方向的压缩模量，Ep为平行于基底材料方向的压缩模量。
本发明还提供制备上述弹性体的制备方法，包括如下步骤：
S1：配置高分子预聚液；
S2：将基底材料放入S1中的高分子预聚液内充分浸润；
S3：将S2中浸润高分子预聚液的基底材料切割，层层平铺于模具内；
S4：对S3模具内层层平铺的浸润过高分子预聚液的基底材料施压，当基底材料的固含量为5-15wt％时，停止施压，形成弹性体胚胎；
S5：将S4中所述弹性体胚胎进行热处理，处理温度为25-120℃，得到具有高各项异性系数的弹性体。
进一步地，所述S1中的高分子预聚液由纯物质或溶液组成。
进一步地，所述纯物质为质量浓度为100wt％的硅胶或聚氨酯。
进一步地，所述溶液为质量浓度为5-30wt％的水凝胶溶液。
进一步地，所述S2的基底材料为无纺布纤维。
进一步地，所述S4中施压的压强为0.05-5MPa，用于控制弹性体内基底材料的固含量。
本发明还提供前述弹性体的用途，例如，所述弹性体用于制备机械仿生结构。
进一步地，所述机械仿生结构为人工椎间盘、人工软骨或人工韧带。
本发明的有益效果在于：
1、无纺布纤维结构没有经纬线，而且工艺简单、质轻、容易定性、性价比高，与高分子预聚液的结合能力强，与高分子预聚液结合后将其层层平铺于受压的垂直方向，获得结构简单的弹性体。同时选用与生物软组织力学性能相近的纯硅胶、纯聚氨酯或水凝胶溶液(其压缩模量小于1MPa)作为高分子预聚液原料，与无纺布纤维结合后，弹性体的各向异性系数大于10，压缩模量的范围为1-30MPa，可压缩应变率大于60％，满足目前人工椎间盘对各向异性系数的要求，进而满足人工椎间盘对多方向运动灵活的要求。
2、本发明弹性体的泊松比接近0.5，当整个弹性体在受压的情况下，弹性体为保持总体积不变而将横向扩展，该运动趋势将保证所有的无纺布纤维都会被其包裹住的弹性体所推动，因此增加了无纺布纤维与弹性体中相互作用的面积，在保证承重前提之下，减少了无纺布纤维与弹性体之间的磨损，进而提高了产品的使用寿命。
3、本发明的弹性体结构简单、生产难度低、便于普及。由本发明弹性体制备的人工椎间盘力学适配性高于现有技术中的金属椎间盘、金属与聚合物椎间盘、纯高分子聚合物椎间盘或仿生纤维椎间盘，因此不易引发炎症，使用寿命也会高于现有技术中的人工椎间盘，还能让使用者在多个维度实现运动自由，减少运动中的不适感，满足了使用者对于多方向运动灵活的要求。
附图说明
图1为本发明弹性体的结构示意图；
图2为本发明对比例1弹性体的结构示意图；
图3为本发明对比例2弹性体的结构示意图。
其中，图中的标号名称如下：
1、高分子预聚液；2、基底材料；3、纤维绞线。
具体实施方式
实施例1样品一
本实施例弹性体的制备步骤如下：
S1：配置高分子预聚液1，所述高分子预聚液1为型号为T615的硅胶，质量浓度为100wt％；
S2：将基底材料2放入S1中的高分子预聚液1内充分浸润，所述基底材料2为聚酯无纺布纤维；
S3：将S2中浸润T615硅胶的聚酯无纺布纤维切割成10*10cm的大小，并将其在模具内层层平铺30层；
S4：对S3模具内层层平铺的浸润过T615硅胶的聚酯无纺布纤维施加0.11MPa的压强，当基底材料2的固含量为10wt％时，停止施压，形成15mm厚的弹性体胚胎；
S5：将S4施压后的弹性体胚胎进行热处理，处理温度为80℃，处理时间为60min，得到本实施例的弹性体，裁剪至15*15*15mm，获得本实施例的样品一。
根据橡胶压缩应力检测GB/T7757-2009要求对样品一进行了多个方向的压缩性能表征：如图1所示，沿着图中弹性体上、下两个垂直于无纺布纤维平面方向的压缩模量Ev1和Ev2均为12MPa，沿着前、后、左、右四个平行于无纺布纤维平面方向的压缩模量Ep1、Ep2、Ep3和Ep4均为1.1MPa，因此样品一的各向异性系数N为10.9。
对比例1样品二
本对比例弹性体的制备步骤如下：
S1：配置高分子预聚液1，所述高分子预聚液1为型号为T615的硅胶，质量浓度为100wt％；
S2：将高分子预聚液1倒入模具内，进行热处理，处理温度为80℃，处理时间为60min，得到本对比例的弹性体，裁剪至15*15*15mm，获得本对比例的样品二。
根据橡胶压缩应力检测GB/T7757-2009要求对样品二进行了多个方向的压缩性能表征：如图2所示，沿着图中弹性体上、下两个垂直于样品二方向的压缩模量Ev1和Ev2均为0.02MPa，沿着前、后、左、右四个平行于样品二方向的压缩模量Ep1、Ep2、Ep3和Ep4均为0.02MPa，因此样品二的各向异性系数N为1。
对比例2样品三
本对比例弹性体的制备步骤如下：
S1：配置高分子预聚液1，所述高分子预聚液1为型号为T615的硅胶，质量浓度为100wt％；
S2：将纤维绞线3放入S1中的高分子预聚液1内充分浸润，所述纤维绞线3为玻璃纤维绞线；
S3：将S2中浸润T615硅胶的玻璃纤维绞线切割成10*10cm的大小，并将其在模具内层层平铺30层；
S4：对S3模具内层层平铺的浸润高分子预聚液1的玻璃纤维绞线施加0.11MPa的压强，当纤维绞线3的固含量为10wt％时，停止施压，形成15mm厚的弹性体胚胎；
S5：将S4施压后的弹性体胚胎进行热处理，处理温度为80℃，处理时间为60min，得到本对比例的弹性体，裁剪至15*15*15mm，获得本对比例的样品三。
根据橡胶压缩应力检测GB/T7757-2009要求对样品三进行了多个方向的压缩性能表征：如图3所示，沿着图中弹性体上、下两个垂直于玻璃纤维绞线平面方向的压缩模量Ev1和Ev2均为16MPa，沿着前、后、左、右四个平行于玻璃纤维绞线方向的压缩模量Ep1、Ep2、Ep3和Ep4为22MPa，因此样品三的各向异性系数N为0.73。
综上所述，本发明的弹性体具有高各向异性系数，满足目前人工椎间盘对各向异性系数的要求，进而满足人工椎间盘对多方向运动灵活的要求。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种具有高各向异性系数的弹性体，其特征在于，所述弹性体由基底材料（2）和高分子预聚液（1）制成，所述弹性体的各向异性系数大于10，其计算公式如下：
其中，N为各向异性系数，Ev为垂直于基底材料（2）方向的压缩模量，Ep为平行于基底材料（2）方向的压缩模量；
所述基底材料（2）为无纺布纤维，与高分子预聚液（1）结合后将其层层铺于受压的垂直方向，获得所述弹性体。
2.一种如权利要求1所述的弹性体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：配置高分子预聚液（1）；
S2：将基底材料（2）放入S1中的高分子预聚液（1）内充分浸润；
S3：将S2中浸润高分子预聚液（1）的基底材料（2）切割，层层平铺于模具内；
S4：对S3模具内层层平铺的浸润过高分子预聚液（1）的基底材料（2）施压，当基底材料（2）的固含量为5-15wt%时，停止施压，形成弹性体胚胎；
S5：将S4中所述弹性体胚胎进行热处理，处理温度为25-120℃，得到具有高各项异性系数的弹性体。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S1中的高分子预聚液（1）由纯物质或溶液组成。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述纯物质为质量浓度为100wt%的硅胶或聚氨酯。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述溶液为质量浓度为5-30wt%的水凝胶溶液。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S2的基底材料（2）为无纺布纤维。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S4中施压的压强为0.05-5MPa，用于控制弹性体内基底材料（2）的固含量。
8.一种包括权利要求1所述弹性体的用途，其特征在于，所述弹性体用于制备机械仿生结构。
9.根据权利要求8所述弹性体的用途，其特征在于，所述机械仿生结构为人工椎间盘、人工软骨或人工韧带。
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| CN113790958A (zh) * | 2021-09-01 | 2021-12-14 | 沈阳恒生医用科技有限公司 | 一种高分子仿生组织及其应用 |
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2022
- 2022-09-30 CN CN202211205305.7A patent/CN115634313B/zh active Active
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