CN115737920A - 一种医用复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及生物医用材料技术领域，具体公开了一种医用复合材料及其制备方法和应用。本申请提供的医用复合材料包括基体和包裹在基体表面的涂层；所述基体包括聚醚醚酮、羟基磷灰石，所述涂层包括β‑磷酸三钙；上述医用复合材料的制备方法包括以下步骤：在1.5‑2.5Mpa的工作气体压力下，将涂层喷涂至基体的表面，即可获得医用复合材料；其中，所述喷涂采用冷喷涂或真空喷涂；上述医用复合材料可应用于骨组织修复。本申请提供的用复合材料的生物相容性好、与骨组织融合速度快，因此具备优异的骨组织早期整合能力。
Description
技术领域
本申请涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种医用复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着世界人口老龄化的加速、中青年创伤的增多和人类对健康的需求，激发了人们对生物医用材料的追求。最早使用的人体硬组织修复和植入的生物医用材料为金属材料和陶瓷材料，该类材料具备优异的综合力学性能和加工性能，一度受到了业界的广泛关注。然而，金属材料和陶瓷材料在骨组织修复中也逐渐暴露出来一些缺陷，比如该类材料的弹性模量比人骨的弹性模量高几倍至几十倍，因此会与周围的自然骨组织产生“应力屏敲”效应，使得周围自然骨发育不良；并且该类材料与骨组织之间的结合性差，当使用时间较长时，该类材料发生松动或脱落，使用寿命大大缩短，因此存在一定的使用局限性。
研究发现，聚合物复合材料作为修复和替换人体硬组织的材料具有很多优点，它的弹性模量通过调整可以达到与自然骨相近的水平，因此能够与自然骨形成良好的力学匹配；而且聚合物复合材料还具有一定生物相容性，故有助于新生骨的再建。聚醚醚酮材料（PEEK）是一种使用最为广泛的聚合物复合材料，其弹性模量与人骨弹性模量非常接近，适合作为骨骼复合材料的基体；而PEEK材料本身是生物惰性材料，其与骨组织之间的整合能力不强，这大大限制了PEEK材料在硬组织修复与替换领域的应用。
近年来，通过对PEEK材料进行改性可以进一步提高其使用性能，目前PEEK材料的改进方法主要是将PEEK材料与具有生物活性的材料（如羟基磷灰石HA、生物活性玻璃BG）进行混合，从而获得生物相容性良好的PEEK复合材料。然而该类PEEK复合材料在使用过程中，仍然存在与骨组织的早期整合能力弱、刚度较差的缺陷。因此，研究一种生物相容性好、与骨组织早期整合能力强的PEEK复合材料尤为重要。
发明内容
为了进一步提高PEEK复合材料的生物活性，提高PEEK复合材料与骨组织的早期整合能力，本申请提供一种医用复合材料及其制备方法和应用。
第一方面，本申请提供一种医用复合材料，采用如下的技术方案：
一种医用复合材料，所述医用复合材料包括基体和包裹在基体表面的涂层；所述基体包括聚醚醚酮、羟基磷灰石，所述涂层包括β-磷酸三钙。
本申请将β-磷酸三钙包裹在聚醚醚酮、羟基磷灰石形成的基体表面，从而获得了一种生物相容性好、与骨组织早期整合能力强的医用复合材料，将上述医用复合材料植入生物机体后，医用复合材料表面的β-磷酸三钙会迅速降解，分解出的Ca离子、P离子能够与周围骨组织中的Ca离子、P离子形成化学键，使得医用复合材料与骨组织快速融合，进而实现医用复合材料与骨组织的早期整合。因此，本申请提供的医用复合材料一方面具备优异的骨组织早期整合能力，进而在使用过程中不会发生松动与脱落；另一方面该医用复合材料又具备优异的力学性能，保证其使用过程不发生变形，因此具有很好的实用意义。本申请有效避免了相关技术中存在的“应力屏蔽”效应，能够保证周围骨组织的正常发育，且不会引起局部炎症反应与全身毒副作用。
临床研究表明，将医用复合材料植入基体后，一般1-7天为炎症反应期，7-14天为血管张入期，21天开始出现早期骨样组织。本申请提供一种聚醚醚酮、羟基磷灰石形成的基体表面包覆有β-磷酸三钙的医用复合材料，将该医用复合材料植入生物机体后，其表面的β-磷酸三钙在第14天左右会开始降解，并与周围骨组织融合，实现医用复合材料与骨组织的早期整合；在第21天左右β-磷酸三钙完成降解，此时聚醚醚酮与羟基磷灰石制成的基体暴露出来，并诱导新生骨向其孔隙中生长，逐渐实现医用复合材料与骨组织的整合。
β-磷酸三钙具有良好的生物降解性、生物相容性和生物无毒性，将其植入生物机体后，降解下来的Ca离子、P离子能够快速与周围骨组织中的Ca离子、P离子形成化学键，进而进入活体循环系统形成新生骨；但是随着β-磷酸三钙在植入体内后逐渐降解，其力学性能也逐渐减弱，这容易造成材料的形态与体积发生变化；而羟基磷灰石具备优异的力学性能，能够维持材料所需的形态和体积；但是羟基磷灰石与骨组织之间的结合力较差，主要是依靠骨细胞长入到羟基磷灰石的微孔孔隙中来实现两者的结合。因此，本申请提供的医用缝合材料是将β-磷酸三钙包裹在聚醚醚酮和羟基磷灰石形成的基体上，形成一种层结构的医用复合材料，将该医用复合材料植入机体后，医用复合材料表面的β-磷酸三钙逐渐降解，其降解的Ca离子、P离子能够快速与骨组织中的Ca离子、P离子发生化学键结合，实现医用复合材料与骨组织的早期整合，之后随着β-磷酸三钙的降解，聚醚醚酮与羟基磷灰石制成的基体逐渐暴露出来，为医用复合材料提供基本的力学性能（刚度），进而保证医用复合材料维持基本的形态与体积，使其不易发生变形；并且羟基磷灰石能够进一步诱导新生骨组织向其孔隙中生长，提高医用复合材料与骨组织的后期整合能力，保证医用复合材料在长期使用过程中不发生脱落。
优选地，所述聚醚醚酮和所述羟基磷灰石的重量比为10：（0.5-3）。
本申请中，聚醚醚酮的弹性模量与人骨弹性模量相近，且拉伸强度优异，但是聚醚醚酮的刚度较差；而羟基磷灰石的刚度较好，且具备一定的生物相容性。因此本申请将聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比控制在上述范围内，能够获得一种生物相容性好、刚度优异的医用复合材料。
在一些实施方案中，所述聚醚醚酮和所述羟基磷灰石的重量比为10：（0.5-1）、10：（0.5-1.5）、10：（1-1.5）、10：（1-3）或10：（1.5-3）。
在一个具体的实施方案中，所述聚醚醚酮和所述羟基磷灰石的重量比还可以为10：0.5、10：1、10：1.5或10：3。
优选地，所述涂层的厚度为0.4-1.6mm。
本申请提供的医用复合材料中，当涂层的厚度过低时，涂层降解出的Ca离子、P离子含量较少，不足以与周围骨组织中的Ca离子、P离子实现化学键结合，使得医用复合材料与骨组织的早期整合能力差；而当涂层厚度过高时，医用复合材料表面β-磷酸三钙的降解周期过长，在第21天左右不能完全降解，导致新生骨与基体表面的接触时间延长，不利于后续新生骨组织向基体内部的延伸。因此本申请将涂层的厚度控制在上述范围内，既能够保证医用复合材料的力学性能，又能实现医用复合材料与骨组织的早期整合。
在一些实施方案中，所述涂层的厚度可以为0.4-0.8mm、0.4-1.2mm、0.4-1.6mm、0.8-1.2mm、0.8-1.6mm或1.2-1.6mm。
在一个具体的实施方案中，所述涂层的厚度还可以为0.4mm、0.8mm、1.2mm或1.6mm。
优选地，所述涂层的厚度为0.8-1.6mm。
本申请中，将医用复合材料中涂层的厚度控制在上述范围内，能够保证医用复合材料表面的β-磷酸三钙涂层在21天内完全降解，实现医用复合材料与周围骨组织的早期整合，并且不会影响后续新生骨向基体内部的延伸。
优选地，所述β-磷酸三钙为多孔结构；所述β-磷酸三钙的孔径为100-500μm。
本申请选用多孔结构的β-磷酸三钙作为医用复合材料的涂层，将该医用复合材料植入体内，一是多孔结构的β-磷酸三钙降解速度快，能够快速分解出大量的Ca离子、P离子，实现与周围骨组织中的Ca离子、P离子的化学结合；二是β-磷酸三钙能促进碱基磷酸酶的表达，诱导新生骨组织长入的孔隙中，进一步促进医用复合材料与骨组织的结合。因此，本申请将β-磷酸三钙的孔径控制在上述范围内，能够获得一种表面具有多孔结构的医用复合材料，将该医用复合材料植入生物基体内，能够快速与周围骨组织融合，并诱导促进新生骨组织向其孔隙中延伸，实现医用复合材料与骨组织的早期整合。
优选的，所述β-磷酸三钙为多孔结构；所述β-磷酸三钙的孔径为100-500μm。
优选地，所述β-磷酸三钙为多孔结构；所述β-磷酸三钙的孔径为100-300μm。
第二方面，本申请提供一种医用复合材料的制备方法，采用如下的技术方案：
一种医用复合材料的制备方法，包括以下步骤：在1.5-2.5Mpa的工作气体压力下，将涂层喷涂至基体的表面，即可获得医用复合材料。
本申请中，将工作气体压力控制在上述范围内，能够确保形成的β-磷酸三钙涂层的疏松度适宜，并且牢固地粘附在聚醚醚酮、羟基磷灰石形成的基体上，使β-磷酸三钙与基体很好地结合，不发生脱落，最终提高医用复合材料与骨组织之间的整合能力。
优选地，所述喷涂采用冷喷涂或真空喷涂。
本申请通过采用冷喷涂或真空喷涂技术，能够有效避免聚醚醚酮、羟基磷灰石和β-磷酸三钙发生热降解，保证各材料基本的生物性状及力学性能，进而提高医用复合材料的使用稳定性。
优选地，所述喷涂的次数为1-4次。
本申请通过控制喷涂次数可以调整医用复合材料表面β-磷酸三钙的厚度，将喷涂次数控制在1-4次，获得的医用复合材料更易于实现与骨组织的早期整合。
本申请中，β-磷酸三钙可以为市售或自制。
优选地，所述β-磷酸三钙的制备方法为：将β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁混合并填入模具中，再将装有β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁的模具置于烧结设备，首先在300-400℃下低温烧结20-40min，然后在1000-1200℃下高温烧结50-90min，烧结完毕即可获得多孔结构的β-磷酸三钙。
优选地，所述硬脂酸镁的粒径可以为100-700μm。
在一个具体的实施方案中，所述硬脂酸镁的粒径还100-300μm、300-500μm、100-500μm、300-700μm或500-700μm。
本申请通过采用上述制备方法，将β-磷酸三钙粉体和一定粒径的硬脂酸镁混合，并将β-磷酸三钙的低温烧结温度与时间、高温烧结的温度与时间控制在上述范围内，能够使β-磷酸三钙在保持其自身的立体结构的同时，去除其中掺杂的硬脂酸镁，进而获得具有多孔结构的β-磷酸三钙。
第三方面，本申请提供的医用复合材料在骨组织修复材料中的应用。
本申请获得的医用复合材料一方面具备优异的骨组织早期整合能力与生物相容性，另一方面又具备优异的力学性能。因此，将本申请提供的医用复合材料用于骨组织修复材料中，能够有效避免医用复合材料与骨组织之间的“应力屏蔽”效应，在保证骨组织的正常发育的基础上，实现医用复合材料与骨组织的早期整合，进而使医用复合材料在使用过程中不会发生松动、脱落或变形，保持良好的使用稳定性。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1. 本申请将β-磷酸三钙包裹在聚醚醚酮、羟基磷灰石形成的基体表面，能够获得一种生物相容性好、与骨组织早期整合能力强的医用复合材料。将本申请提供的医用复合材料植入生物机体后，其表面的β-磷酸三钙能够快速降解，并与周围骨组织融合，进而实现医用复合材料与骨组织的早期整合。
2. 本申请中，随着医用复合材料表面的β-磷酸三钙的降解，聚醚醚酮、羟基磷灰石逐渐暴露，羟基磷灰石会继续诱导新生骨组织向其孔隙中生长，从而进一步提高医用复合材料与骨组织之间的结合力，避免医用复合材料发生松动或脱落；并且羟基磷灰石还能维持医用复合材料基本的力学性能，保证医用复合材料在使用过程中不发生变形。
3. 本申请将医用复合材料的涂层厚度控制在0.4-1.6mm之间，获得的医用复合材料表面的β-磷酸三钙能够快速降解，并与周围骨组织融合，实现医用复合材料与骨组织的早期整合；在第21天左右β-磷酸三钙能够彻底降解完成，不会影响后续新生骨向聚醚醚酮和羟基磷灰石基体内部的延伸。
4. 本申请提供的医用复合材料的制备方法中采用了冷喷涂或真空喷涂技术，上述方法既能够避免聚醚醚酮、羟基磷灰石和β-磷酸三钙发生热降解，又能够使β-磷酸三钙牢固地包裹在聚醚醚酮、羟基磷灰石形成的基体上，保证β-磷酸三钙不发生脱落，进而提高该医用复合材料与骨组织的早期整合能力。
5. 本申请提供的医用复合材料的生物相容性好、与骨组织的早期整合能力强，因此能够用于生物机体实现骨组织修复。上述医用复合材料有效了避免医用复合材料与骨组织之间的“应力屏蔽”效应，在保证骨组织的正常发育的基础上，实现医用复合材料与骨组织的早期整合，进而使得医用复合材料在使用过程中不会发生松动、脱落或变形，保持良好的使用稳定性。
附图说明
图1是本申请提供的医用复合材料的制备方法流程图。
具体实施方式
本申请提供一种医用复合材料，该医用复合材料包括基体和包裹在基体表面的涂层；基体包括聚醚醚酮、羟基磷灰石，涂层包括β-磷酸三钙；其中，β-磷酸三钙为多孔结构，其孔径为100-500μm；聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比为10：（0.5-3），涂层的厚度为0.4-1.6mm。
上述医用复合材料的制备方法为：
（1）制备基体：将聚醚醚酮和羟基磷灰石混合，然后加入混炼机中，在350-400℃下进行熔融，然后利用挤出机挤出，自然冷却，即可获得基体。
（2）制备β-磷酸三钙：
（2-1）称取100gNa2CO3溶于250ml去离子水中，在400r/min的转速下进行搅拌，获得混合液A；然后将100gCaCl2配制成250ml、1.2mol/L溶液，并倾倒至混合液A中，继续搅拌使生成胶冻状沉淀分散为乳悬液，静置10分钟后抽滤，滤饼用去离子水打浆洗涤1-2次后移入烧杯中，加150ml入水搅拌均匀，获得混合液B；
（2-2）取132.3g H3PO4配置成浓度为1.6mol/L的溶液，将其在搅拌作用下滴加至混合液B中，滴加完后继续搅拌10-15min，然后依次经过过滤、干燥，即可获得β-磷酸三钙粉体；
（2-3）将重量比为1：1的β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁混合均匀，填入模具中压实成型，获得成型体；然后将成型体置于高温电阻炉中，先在300-400℃下低温烧结20-40min，然后在1000-1200℃下高温烧结50-90min，烧结完毕即可获得多孔结构的β-磷酸三钙。
（3）制备医用复合材料：将β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；然后采用喷涂机在1.5-2.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液喷涂至基体表面，喷涂1-4次，从而获得医用复合材料。
本申请实施例中；聚醚醚酮购自上海汇普工业化学品有限公司；羟基磷灰石购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；β-磷酸三钙为自制；其余原料、试剂、溶剂等也均可通过商购获得。
以下结合制备例、实施例和性能检测试验对本申请作进一步详细说明。
制备例
制备例1
制备例1提供一种基体。
上述基体的制备方法为：称取100g聚醚醚酮、15g羟基磷灰石混合，然后加入混炼机中，在400℃下进行熔融，1h后将混合物料利用挤出机挤出，并自然冷却，获得5.5mm×19mm的基体。其中，聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比为10：1.5。
制备例2-4
制备例2-4分别提供一种基体。
上述基体与制备例1的不同之处在于：聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比，具体如表1所示。
表1 制备例1-4提供的基体中聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比
制备例5
制备例5提供一种β-磷酸三钙。
上述β-磷酸三钙的制备方法为：
（2-1）称取100gNa2CO3溶于250ml去离子水中，并在400r/min的转速下进行搅拌，获得混合液A；然后将100gCaCl2配制成250ml、1.2mol/L溶液，并倾倒至混合液A中，继续搅拌使生成胶冻状沉淀分散为乳悬液，静置10分钟后抽滤，滤饼用去离子水打浆洗涤1~2次后移入烧杯中，加150ml入水搅拌均匀，获得混合液B；
（2-2）取132.3g H3PO4配置成浓度为1.6mol/L的溶液，将其在搅拌作用下滴加至混合液B中，滴加完后继续搅拌10-15min，然后依次经过过滤、干燥，即可获得β-磷酸三钙粉体；
（2-3）将重量比为2：1的β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁（粒径为100-300μm）混合均匀，填入模具中压实成型，获得成型体；然后将成型体置于高温电阻炉中，先在400℃下低温烧结30min，然后在1100℃下高温烧结60min，烧结完毕即可获得孔径为100-300μm的β-磷酸三钙。
制备例6
制备例6提供一种β-磷酸三钙。
上述制备例与制备例5的不同之处在于：步骤（2-3）；制备例6步骤（2-3）具体为：
（2-3）将重量比为2：1的β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁（粒径为300-500μm）混合均匀，填入模具中压实成型，获得成型体；然后将成型体置于高稳电阻炉中，先在400℃下低温烧结30min，然后在1100℃下高温烧结60min，烧结完毕即可获得孔径为300-500μm的β-磷酸三钙。
制备例7
制备例7提供一种β-磷酸三钙。
上述制备例与制备例5的不同之处在于：步骤（2-3）；制备例7步骤（2-3）具体为：
（2-3）将重量比为2：1的β-磷酸三钙粉体和硬脂酸镁（粒径为500-700μm）混合均匀，填入模具中压实成型，获得成型体；然后将成型体置于高稳电阻炉中，先在400℃下低温烧结30min，然后在1100℃下高温烧结60min，烧结完毕即可获得孔径为500-700μm的β-磷酸三钙。
实施例
实施例1
实施例1提供一种医用复合材料。
上述医用复合材料的制备方法为：将制备例5获得的β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；再将β-磷酸三钙溶液通过进料口加入混合腔内，对混合腔抽真空，然后在1.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液喷涂至制备例1提供的基体的表面，喷涂次数为2次，每次喷涂厚度为0.4mm，经干燥即可获得医用复合材料。
实施例2-4
实施例2-4分别提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：医用复合材料中的基体。实施例2-4提供的医用复合材料中的基体分别来源于制备例2-4。
实施例5-7
实施例5-7分别提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：医用复合材料中，基体表面形成的β-磷酸三钙涂层的厚度，具体如表2所示。
表2 实施例1、实施例5-7提供的医用复合材料中β-磷酸三钙涂层的厚度
实施例8
实施例8提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：实施例8提供的医用缝合材料的制备方法中，真空喷涂过程中的工作氮气压力为2Mpa。
实施例9
实施例9提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：实施例8提供的医用缝合材料的制备方法中，真空喷涂过程中的工作氮气压力为2.5Mpa。
实施例10
实施例10提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：实施例10提供的医用复合材料中，β-磷酸三钙来源于制备例6，其中，β-磷酸三钙的孔径为300-500μm。
实施例10的医用复合材料的制备方法为：将制备例6获得的β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；再将β-磷酸三钙溶液通过进料口加入混合腔内，对混合腔抽真空，然后在1.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液喷涂至制备例1提供的基体的表面，喷涂次数为1次，喷涂厚度为0.8mm，经干燥即可获得医用复合材料。
实施例11
实施例11提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例1的不同之处在于：实施例11提供的医用复合材料中，β-磷酸三钙来源于制备例7，其中，β-磷酸三钙的孔径为500-700μm。
实施例11的医用复合材料的制备方法为：将制备例7获得的β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；再将β-磷酸三钙溶液通过进料口加入混合腔内，对混合腔抽真空，然后在1.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液喷涂至制备例1提供的基体的表面，喷涂次数为1次，喷涂厚度为0.8mm，经干燥即可获得医用复合材料。
实施例12
实施例12提供一种医用复合材料。
上述实施例与实施例8的不同之处在于：实施例12提供的医用复合材料的制备方法采用的是冷喷涂技术，具体步骤为：
将制备例5获得的β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；再将β-磷酸三钙溶液装入送粉器中，在1.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液通过冷喷腔体喷涂至制备例1提供的基体的表面，喷涂次数为2次，每次喷涂厚度为0.4mm，经干燥即可获得医用复合材料。
对比例
对比例1
对比例1提供一种医用复合材料。
上述对比例与实施例1的不同之处在于：对比例1提供的医用缝合材料的制备方法中，真空喷涂过程中的工作氮气压力为1Mpa。
对比例2
对比例2提供一种医用复合材料。
上述对比例与实施例1的不同之处在于：对比例2提供的医用缝合材料的制备方法中，真空喷涂过程中的工作氮气压力为3Mpa。
对比例3
对比例3提供一种医用复合材料。
上述医用复合材料的基体为聚醚醚酮，涂层为β-磷酸三钙。
对比例3提供的医用复合材料的制备方法为：
（1）将制备例5获得的β-磷酸三钙分散于水中，获得β-磷酸三钙溶液；
（2）称取100g聚醚醚酮加入混炼机中，在400℃下进行熔融，1h后将聚醚醚酮经挤出机挤出，并自然冷却，获得5.5mm×19mm的聚醚醚酮基体。
（3）再将β-磷酸三钙溶液通过进料口加入混合腔内，对混合腔抽真空，然后在1.5Mpa的工作氮气压力下，将β-磷酸三钙溶液喷涂至聚醚醚酮基体的表面，喷涂次数为2次，每次喷涂厚度为0.4mm，经干燥即可获得医用复合材料。
对比例4
对比例4提供一种医用复合材料。
上述医用复合材料的基体为聚醚醚酮，涂层为羟基磷灰石。
对比例4提供的医用复合材料的制备方法为：
（1）将羟基磷灰石分散于水中，获得羟基磷灰石溶液；
（2）称取100g聚醚醚酮加入混炼机中，在400℃下进行熔融，1h后将聚醚醚酮经挤出机挤出，并自然冷却，获得5.5mm×19mm的聚醚醚酮基体。
（3）再将羟基磷灰石溶液通过进料口加入混合腔内，对混合腔抽真空，然后在1.5Mpa的工作氮气压力下，将羟基磷灰石溶液喷涂至聚醚醚酮基体的表面，喷涂次数为2次，每次喷涂厚度为0.4mm，经干燥即可获得医用复合材料。
对比例5
对比例5提供一种医用复合材料。
（1）将直径为0.3mm的聚醚醚酮细丝编织成编织角为30°、宽度为12mm、厚度为4mm的聚醚醚酮细丝三维结构排布体。
（2）将聚醚醚酮细丝三维结构排布体置于铜制模具中进行预热；预热温度为160℃，在常压下保持2h。
（3）通过自截留方式将20wt％的羟基磷灰石分散液浇筑在预热后的三维结构排布体上，空气干燥3天，得到负载有14.5wt％羟基磷灰石的三维结构排布体。
（4）将聚醚醚酮细丝三维结构排布体置于加热板间并在0.5Mpa压力下加热至355℃保持20min；然后，在0.5Mpa压力下逐渐冷却至室温，得到医用复合材料。
性能检测试验
对实施例1-12、对比例1-5获得的医用复合材料的细胞毒性、成骨表达能力及力学性能进行检测，检测结果如表3所示。
1. 细胞毒性检测：细胞毒性检测参考GB/T 16886.5-2017第5部分：体外细胞毒性试验。具体方法为：将医用复合材料按0.2g/mL的比例加入含10%胎牛血清的DMEM培养基，37℃下浸提24h，得到浸提液；取细胞密度约80%-90%的L929细胞系，弃去原培养基，加入浸提液，同时以原培养基做为对照组1，继续培养72h后，采用MTT法检测细胞活力，记录细胞增殖率（%）。
2. 成骨表达能力检测：将医用复合材料按0.2g/mL的比例加入含10%胎牛血清的αMEM培养基，37℃下浸提24h，得到浸提液；取细胞密度约80%-90%的MC3T3-E1细胞系，弃去原培养基，加入浸提液，同时以原培养基做为对照组2，继续培养72h后，采用ALP检测试剂盒（购自碧云天生物技术）检测浸提液中ALP含量及对照组原培养基中ALP含量，并计算ALP相对活性。ALP相对活性的计算方法为：
ALP相对活性=浸提液ALP含量/对照组原培养基ALP含量
注：碱性磷酸酶（ALP）是成骨早期标志物，ALP的含量反映成骨细胞的分化水平，ALP的相对活性越高，表明前成骨细胞向成熟的成骨细胞分化的越明显，该医用复合材料的成骨表达能力越强。
3. 根据YY/T0660-2008《外科植入物用聚醚醚酮(PEEK)聚合物的标准规范》检测医用复合材料的拉伸强度、拉伸应变、拉伸弹性模量。
本申请中，医用复合材料的刚度通过拉伸强度、拉伸应变、拉伸弹性模量三种指标的综合力学性能来考量；当医用复合材料的拉伸强度越小、拉伸应变越小、拉伸弹性模量越大，医用复合材料的刚度则越好。
表3 实施例1-12、对比例1-5获得的医用复合材料的成骨表达能力测试结果
根据表3中细胞增殖率的检测结果可知，本申请实施例1-12提供的医用复合材料获得的浸提液对细胞进行培养，其细胞增殖率为0.98-1.01%，对照组1的细胞增殖率为1.00%，很明显，本申请提供的医用复合材料获得的浸提液与对照组培养基的细胞增殖率相差不大。因此，说明本申请提供的医用复合材料并不会影响细胞的增殖、均无细胞毒性，且具有良好的生物相容性。
根据表3中ALP相对活性的检测结果可知，利用实施例1-12提供医用复合材料获得的浸提液进行细胞培养后，浸提液的ALP相对活性均≥1.4%，而对比例1-5获得的浸提液的ALP相对活性为1.1-1.3%，说明本申请提供的医用复合材料能够在短时间促进细胞ALP的分化与表达，进而能够实现医用复合材料与周围骨组织的融合。
根据实施例1-4的检测结果可知，随着HA含量的增加，医用复合材料的拉伸强度与拉伸应变逐渐减小，拉伸弹性模量逐渐增大，浸提液的ALP相对活性先增大后减小，说明HA会影响医用复合材料的刚度及细胞的分化能力。进一步对比发现，实施例1与实施例3将聚醚醚酮和羟基磷灰石的重量比控制10：（1-1.5）之间，获得的医用复合材料的成骨表达能力更强，刚度更佳。
根据实施例1、实施例5-7的检测结果可知，随着β-磷酸三钙涂层厚度的增加，医用复合材料的力学性能变化不大，但是浸提液的ALP含量呈现先增大后基本保持不变的趋势；说明β-磷酸三钙涂层的厚度对成骨表达能力存在影响，也就是说，医用材料中β-磷酸三钙涂层的厚度对骨组织早期整合的能力存在一定影响；除此之外，当涂层厚度过高时，β-磷酸三钙的降解周期会延长，导致新生骨与聚醚醚酮接触时间延迟，也不利于新生骨组织的生长。因此，本申请将进一步涂层的厚度控制在0.6-1mm之间，获得的医用复合材料表面的β-磷酸三钙涂层能够在短时间内全部降解，快速实现与周围骨组织的早期融合，并且由于β-磷酸三钙在短时间内能全部降解，因此不会对后续新生骨组织向基体内部的延伸造成影响。
根据实施例1、实施例8-9、对比例1-2的检测结果可知，实施例1、实施例8-9中，利用工作气体压力为1.5-2.5Mpa制备的医用复合材料的浸提液培养细胞后，浸提液的ALP相对活性为1.6-1.7%；对比例1-2中，利用工作气体压力为1Mpa、3Mpa制备的医用复合材料的浸提液培养细胞后，浸提液的ALP相对活性为1.1%、1.2%。因此，说明本申请采用1.5-2.5Mpa的工作气体压力制备医用复合材料，获得的医用复合材料的成骨表达能力更好，可进一步实现与骨组织的早期整合。
根据实施例1、实施例10-11的检测结果可知，实施例1、实施例10分别采用孔径为100-300μm、300-500μm的β-磷酸三钙获得的生物医用复合材料浸提液的ALP相对活性均为1.6%，而实施例11采用孔径为500-700μm的β-磷酸三钙获得的生物医用复合材料浸提液的ALP相对活性为1.5%。因此，说明本申请将β-磷酸三钙的孔径控制在100-500μm之间，β-磷酸三钙的成骨表达能力更强，获得的医用复合材料的与骨组织之间能融合地更好。
根据实施例1、实施例12的检测结果可知，本申请采用真空喷涂与冷喷涂均可实现医用复合材料的制备，且上述喷涂技术不会对医用复合材料的力学性能产生影响。
综上所述，本申请提供的医用复合材料的生物相容性好、无细胞毒性，将该医用复合材料植入生物机体内，能够与骨组织快速融合，进而实现医用复合材料与骨组织的早期整合，并且该医用复合材料具备优异的刚度，可以在长期使用过程中不发生变形，因此具有良好的应用前景。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种医用复合材料，其特征在于，所述医用复合材料包括基体和包裹在基体表面的涂层；所述基体包括聚醚醚酮、羟基磷灰石，所述涂层包括β-磷酸三钙。
2.根据权利要求1所述的医用复合材料，其特征在于，所述聚醚醚酮和所述羟基磷灰石的重量比为10：（0.5-3）。
3.根据权利要求1所述的医用复合材料，其特征在于，所述涂层的厚度为0.4-1.6mm。
4.根据权利要求1所述的医用复合材料，其特征在于，所述涂层的厚度为0.8-1.6mm。
5.根据权利要求1所述的医用复合材料，其特征在于，所述β-磷酸三钙为多孔结构；所述β-磷酸三钙的孔径为100-500μm。
6.根据权利要求1所述的医用复合材料，其特征在于，所述β-磷酸三钙为多孔结构；所述β-磷酸三钙的孔径为100-300μm。
7.如权利要求1-6中任一项所述的医用复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在1.5-2.5Mpa的工作气体压力下，将涂层喷涂至基体的表面，即可获得医用复合材料。
8.根据权利要求7所述的医用复合材料的制备方法，其特征在于，所述喷涂采用冷喷涂或真空喷涂。
9.根据权利要求7所述的医用复合材料的制备方法，其特征在于，所述喷涂的次数为1-4次。
10.如权利要求1-6中任一项所述的医用复合材料在骨组织修复材料中的应用。
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| Title |
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| 刘奕;所新坤;黄晶;新家光雄;李华;: "冷喷涂技术在生物医学领域中的应用及展望", 表面技术, no. 09, 20 September 2016 (2016-09-20) * |
| 张亚平, 高家诚, 王勇: "人工关节材料的研究与展望", 世界科技研究与发展, no. 01 * |
| 林潇;葛隽;吴水林;刘宝华;杨惠林;杨磊;: "兼具成骨和抗感染性能的医用金属材料研究进展", 金属学报, no. 10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115737920B (zh) | 2024-02-23 |
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