CN1548168A - 骨骼修复用连续碳纤维增强复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨骼修复用连续碳纤维增强复合材料。本发明通过连续碳纤维或碳纤维毡或布浸渍甲基丙烯酸甲酯单体或其预聚体，然后通过拉挤工艺或本体浇注工艺得到连续纤维或毡或布增强的碳纤维复合材料。本发明的复合材料包括甲基丙烯酸甲酯和碳纤维，碳纤维的含量以重量百分比计为20％～80％，本发明的材料既可以作为骨折外固定用材料或用作骨折内固定或骨骼修补用材料。本发明的材料具有质轻，对核磁共振成像检查无干扰等特点。本发明的材料经生物毒理性试验证明，本材料均符合国家标准。具有非常好的生物相容性，长期植入生物体内对生物体组织、血液、脑脊液无不良反应，无排异反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于骨骼修复的材料，具体涉及一种碳纤维增强高的分子材料。
技术背景
随着社会和经济的发展以及人口的老龄化，骨科创伤病人越来越多，对骨修复材料的需求和要求不断增加和提高。传统的骨折内固定物和外固定支架所用材料主要为医用金属，它通常具有以下不足：(1)金属材料刚性大而且弹性小，对骨折端产生应力保护，从而妨碍骨折愈合；(2)金属质量过大，妨碍病人活动和身体的恢复锻炼；(3)金属对核磁共振成像检查(MRI)有干扰；(4)在体内可能会发生电化学锈蚀；(5)费用较为昂贵。
聚合物类可吸收内固定骨骼材料，如《骨科可吸收骨折内固物的应用》(国外医学生物医学工程分册，1997年20卷第6期)、《碳纤维增强聚乳酸(C/PLA)复合材料的力学性能》(材料工程，2000年第5期)、BostmanO.J Bone Joint Surg(Br)1987，69B；615-619等文献报道的PLA，PGA，PDLLA等，虽然已经应用于临床，但是其强度有限，只能应用于部分不负重或者低负重区，对于医院整体骨伤病人的骨折治疗来说所占比重很小。
碳纤维增强材料作为一种新型复合材料，具有低密度、高强度、生物相容性好等特征。目前在临床上，碳纤维增强热塑性材料已经有下列方面应用：用于体外的，包括制成各种夹板治疗上颌骨骨折、指骨骨折、颧骨骨折、手指畸形等疾患，以及制成膝—踝—足矫形器和各种支架，用以增加强度、减少重量；制成内植物的，主要是牙种植体。中国专利CN 1040332A和CN 1179937A分别披露了用碳纤维增强聚醚酮用作螺柱状颈椎内固定器和碳纤维增强有机玻璃作为颅骨修补材料。美国专利US 6,136038，US5,902,839都报道了用碳纤维增强有机玻璃和其它丙烯酸树脂作为医用材料，但是所述的材料由于采用短纤维增强的原因，均存在着强度不够、材料力学性能与人体骨骼有较大差异等缺陷。
发明内容
本发明需要解决的技术问题之一是提供一种既能满足医学要求，有加工方便且具有足够的力学强度的骨折固定用的骨骼修复用连续碳纤维增强复合材料，以克服现有的金属材料所存在的缺陷和上述其专利公开的技术所存在的材料力学性能同人体骨骼有较大差异、强度不够大等缺陷。
本发明需要解决的技术问题之二是公开所述材料的制备方法。
本发明需要解决的技术问题之三是公开所述材料作为骨折外固定用材料或骨折内固定用材料的应用。
本发明的技术构思是这样的：
本发明通过连续碳纤维或碳纤维毡或布浸渍甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA，下同)单体或其预聚体，然后通过拉挤工艺或本体浇注工艺得到连续纤维或毡或布增强的碳纤维复合材料。
由于本发明采用连续纤维增强甲基丙烯酸甲酯，所以材料中碳纤维是以连续状态存在的，在由本发明材料制得的骨骼修复制品中，95％～100％(数量百分比)碳纤维的两端位于制品表面0～0.5mm处。
本发明的连续纤维或毡或布增强的碳纤维复合材料包括甲基丙烯酸甲酯和碳纤维，其中，碳纤维的含量以重量百分比计为20％～80％，优选含量为40％～70％。
所述及的碳纤维包括连续纤维束、纤维布或纤维毡。
为了克服PMMA材料的脆性，降低材料的软化温度，复合材料还包括带有柔性链的丙烯酸酯类单体聚合物，所述及的单体包括(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸异辛酯或(甲基)丙烯酸十二烷基酯等中的一种或一种以上，加入的量为复合材料总重的5～30％。
本发明的材料采用拉挤方法或本体浇注方法进行制备，拉挤方法包括如下步骤：
(1)在60～90℃的温度下，在甲基丙烯酸甲酯中加入单体重量的0.02～0.3％的高温引发剂，如偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰等，聚合得到粘度为0.1～3.5Pa.S的甲基丙烯酸甲酯的预聚体，高温引发剂优选的加入量为0.04～0.1％，本发明的浸渍液具有较低的粘度，较低的粘度可提高纤维的浸润性，提高纤维与树脂基体间的作用从而提高纤维的性能；
(2)在得到的预聚体中加入自由基引发剂，所述及的自由基引发剂包括过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二苯甲酰或N，N’-二甲基苯胺等，加入量为单体量的0.01～3％，这样可以使聚合反应在单体沸点以下即可快速而平稳的进行，根据需要，可在预聚体中加入带有柔性链的丙烯酸酯类单体进行共聚，所述及的单体包括(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸异辛酯或(甲基)丙烯酸十二烷基酯等中的一种或一种以上，加入的含量为复合材料总重的5～30％。用牵引机将连续纤维束、纤维布、纤维毡牵引并通过上述预聚体进行浸渍，并进入聚合固化室(聚合固化室为管状通道，通道的前后部分温度不同)的第一聚合段进行聚合，聚合温度为60～100℃，聚合时间为2～30分钟，纤维在聚合固化室中的滞留时间可通过调整牵引机的牵引速度来调节，一般牵引速度为0.15～1.2m/min。
(3)将得到的粘附有PMMA树脂的连续纤维拉入聚合固化室的热处理段进行热处理，热处理段的温度为110～140℃，通过时间为2-20分钟，使得PMMA的聚合完全，得到连续纤维增强的PMMA树脂材料。
(4)将连续纤维增强的PMMA树脂材料拉过定型模头定型，模头温度为160～220℃，得到连续碳纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
按照本发明，所述及的纤维可先进行表面处理，一般所用的处理剂是硅烷偶联剂，如甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、乙烯基三甲氧基硅烷等。
发明所得到的复合材料可以按所需长度进行切粒，作为挤出中间物，同其他聚合物进行共混挤出成型。这样经树脂包覆的纤维，可以维持原长而不被进一步切断获得长纤增强的复合材料。也可以设计不同形状的模具，拉挤出棒状、板材、异型材或其他形状的复合材料。最终产品包括棒材、板材、异型材或粒料等。根据产品的要求，通过机床加工制成固定支架或接骨板和髓内针。
本体浇注方法同一般的浇注工艺相类似，本发明不再赘述。
本发明的连续碳纤维增强复合材料可作为骨折外固定用材料或骨折内固定用材料或骨骼修补材料，如作为骨折外固定支架等，可以用作骨折内固定用材料，如可制作髓内针或接骨板等。本发明的材料具有质轻，对核磁共振成像检查无干扰等特点。
本发明的连续碳纤维增强PMMA或其它丙烯酸树脂等热塑性复合材料具有以下特点：(1)基质PMMA树脂和用于的增强碳纤维均有良好的生物相容性；(2)其强度指标可以达到甚至超过以钢材为代表的金属材料；(3)其弹性模量接近人体发皮质骨，有利于骨折部位的正常愈合；(4)有良好的抗疲劳性能；(5)重量轻，约为同样强度的钢材的重量的四分之一甚至更低；(6)对MRI(核磁共振)无干扰；(7)成本低廉，能够标准化、稳定化生产。因此本发明连续碳纤维增强PMMA复合材料极有希望在一定程度上代替金属成为固定骨折用的内植物及外固定支架材料。
本发明方法可以制备纤维布、纤维毡等二维、三维增强的复合材料，克服了前述方法所不能解决的问题，即纤维布、纤维毡等的浸渍问题。
成型方法可以通过车床精加工的成形方法，也可以通过模具热压成型的方法。两种方法都具有加工简单易操作的特点。
本发明的材料经生物毒理性试验证明，本材料均符合国家标准。具有非常好的生物相容性，长期植入生物体内对生物体组织、血液、脑脊液无不良反应，无排异反应。
附图说明
图1为本发明制备连续纤维增强反应型热塑性树脂的拉挤工艺流程图。
具体实施方式
参见图1，复合材料的拉挤制备方法包括如下步骤：
纤维束从纱架(1)引出在牵引机(8)的牵引下，经浸渍室(2)浸渍，浸渍过的纤维进入聚合固化室的第一段预聚合段(3)，此段的温度控制在60～100℃，预聚后的材料进入第二段热处理段(4)，此段的温度控制在110～140℃，以便使未聚合单体聚合完全，此后通过定型模具(5)，模具的温度控制在160～220℃，然后由冷却段(6)冷却，而后根据要求由切粒机(7)切粒。
实施例1
在90℃的水浴中，在40份甲基丙烯酸甲酯加入0.045份的偶氮二异丁腈，聚合得到甲基丙烯酸甲酯的预聚体。在预聚体中加入0.3份的过氧化二碳酸二异丙酯，和0.015份偶氮二异丁腈，在聚合温度为90℃，热处理温度为140℃，定型模头温度在200℃下，通过拉挤得到60份连续碳纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。根据产品的要求，通过机床加工制成固定支架或接骨板和髓内针。具体毒理测试结果见表1。机械力学性能见表2和3。
表1 骨骼修复用连续碳纤维增强复合材料毒理测试
| 测试项目 | 技术标准 | 测试结果 |
| 细胞毒性试验 | GB/T16886.5-1997 | 细胞毒性为0级 |
| 溶血试验 | GB/T16175-1996 | 无溶血 |
| 致敏试验 | GB/T16886.10-2000 | 无致敏性 |
| 鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验 | GB/T16886.3-1997 | 对组氨酸缺陷型鼠伤寒沙门氏菌无致突变性 |
| 微核试验 | GB/T16886.3-1997 | 未诱发小鼠骨髓多红细胞微核的增加 |
| 体外染色体畸变试验 | GB/T16886.3-1997 | 对CHL细胞的染色体无诱变作用 |
表2 本发明产品与常用金属植入物及人体胫骨的机械力学性能比较
| 本材料 | 碳纤增强聚砜 | 不锈钢 | 钛合金 | Co-Cr-Mo合金 | 人体胫骨 | |
| 拉伸强度(MPa) | 561 | 458 | 690 | 793 | 448 | 170 |
| 拉伸模量(GPa) | 104 | - | 210 | 110 | 210 | 18 |
| 压缩强度(MPa) | 342 | 308 | - | - | - | - |
| 压缩模量(GPa) | 157 | - | - | - | - | - |
| 弯曲强度(MPa) | 716 | 579 | - | - | - | - |
| 弯曲模量(GPa) | 43 | - | - | - | - | - |
| 剪切强度(MPa) | 58 | 47 | - | - | - | - |
| 泊松比μ | 0.314 | 0.318 | - | - | - | - |
| 延伸δ(％) | 18.2 | - | 12 | 10 | 18 | 6.5 |
实施例2
把十层碳纤维布叠放在固定模具中，加入甲基丙烯酸甲酯的预聚体，预聚体是在40份甲基丙烯酸甲酯和20份甲基丙烯酸丁酯中加入0.1份的偶氮二异丁腈于80℃预聚合而成。抽真空约20分钟以除去气泡，然后将模具放在50℃的水浴中聚合3天，然后80℃处理3小时，在120℃处理2小时，冷却脱模，得到40份碳纤布增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，通过模具热压成颅骨修补材料。
实施例3
在95℃的水浴中，在30份甲基丙烯酸甲酯和10份甲基丙烯酸丁酯中加入0.06份的偶氮二异丁腈，聚合得到甲基丙烯酸甲酯的预聚体。在预聚体中加入0.1份的过氧化二碳酸二异丙酯和0.02份偶氮二异丁腈，在聚合温度为90℃，热处理温度为140℃，定型模头温度在200℃下，通过拉挤得到60份连续碳纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。根据产品的要求，通过机床加工制成固定支架或接骨板、髓内针或骨骼修补材料。
实施例4
把十层碳纤维布叠放在固定模具中，加入甲基丙烯酸甲酯的预聚体，预聚体是在50份甲基丙烯酸甲酯和20份丙烯酸丁酯中加入0.1份的过氧化二碳酸二异丙酯和0.1份的过氧化二苯甲酰于80℃预聚合而成。抽真空约20分钟以除去气泡，然后将模具放在50℃的水浴中聚合4天，然后80℃处理3小时，在120℃处理2.5小时，冷却脱模，得到50份碳纤布增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，通过模具热压成接骨板或骨骼修补材料。
实施例5
在90℃的水浴中，在40份甲基丙烯酸甲酯加入0.05份的偶氮二异丁腈，聚合得到甲基丙烯酸甲酯的预聚体。在预聚体中加入0.02份的过氧化二碳酸二异丙酯，在聚合温度为90℃，热处理温度为140℃，定型模头温度在200℃下，通过拉挤得到78份连续碳纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。根据产品的要求，通过机床加工制成固定支架或接骨板和髓内针。
表3骨骼修复材料组成及性能表
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | ||
| 组份(重量份) | 碳纤维 | 60 | 40 | 60 | 50 | 78 |
| 甲基丙烯酸甲酯 | 40 | 40 | 30 | 40 | 25 | |
| 偶氮二异丁腈 | 0.06 | 0.1 | 0.08 | 0.05 | ||
| 过氧化二苯甲酰 | 0.1 | |||||
| 过氧化二碳酸二异丙酯 | 0.3 | 0.3 | 0.1 | 0.2 | ||
| 甲基丙烯酸丁酯 | 20 | 10 | ||||
| 丙烯酸丁酯 | 10 | |||||
| 测试项目 | 拉伸强度MPa | 561 | 423 | 520 | 500 | 589 |
| 弯曲强度MPa | 716 | 552 | 603 | 571 | 575 | |
| 剪切强度MPa | 58 | 50 | 53 | 51 | 45 | |
| 弯曲模量GPa | 45 | 38 | 40 | 41 | 42 | |
Claims (9)
1.一种骨骼修复用连续碳纤维增强复合材料，其组分包括甲基丙烯酸甲酯和碳纤维，其特征在于，由其制成的骨骼修复制品中95％～100％(数量百分数)碳纤维的两端位于制品表面0～0.5mm处。
2.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强复合材料，其特征在于，碳纤维的含量以重量百分比计为20％～80％。
3.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强复合材料，其特征在于，碳纤维的含量以重量百分比计为40％～70％。
4.根据权利要求1所述的连续碳纤维增强复合材料，其特征在于，复合材料还包括带有柔性链的丙烯酸酯类单体聚合物，加入的含量为复合材料总重的5％～30％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的连续碳纤维增强复合材料，其特征在于，所述及的碳纤维包括连续纤维束、纤维布或纤维毡。
6.根据权利要求1～5任一项所述的连续碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在60～90℃的温度下，在甲基丙烯酸甲酯中加入高温引发剂，聚合得到甲基丙烯酸甲酯的预聚体；
(2)在得到的甲基丙烯酸甲酯的预聚体中加入自由基引发剂，并将碳纤维通过预聚体进行浸渍，将浸渍过的碳纤维加热，进行聚合，聚合温度为80～95℃，时间为2～30分钟，获得连续纤维和PMMA树脂的组合物；
(3)将所获得的连续纤维和PMMA树脂的组合物进行热处理，温度为110～140℃，时间为2-20分钟；
(4)将热处理后的连续纤维增强的PMMA树脂拉过160～220℃的定型模头，得到连续碳纤维增强的聚甲基丙烯酸甲酯复合材料。
7.根据权利要求6所述的连续碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，纤维先用硅烷偶联剂进行表面处理。
8.根据权利要求6或7所述的连续碳纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，在预聚体中加入带有柔性链的丙烯酸酯类单体进行共聚，所述及的单体包括(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸己酯、(甲基)丙烯酸异辛酯或(甲基)丙烯酸十二烷基酯等中的一种或一种以上，加入的含量为复合材料总重的5～30％。
9.权利要求1～6任一项所述的连续碳纤维增强复合材料作为骨折外固定用材料或骨折内固定用材料或骨骼修补材料的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |