CN1943800A

CN1943800A - 珍珠粉/peek准自然骨复合材料及其制备和应用

Info

Publication number: CN1943800A
Application number: CN 200610114415
Authority: CN
Inventors: 申玉田; 朱静; 凌涛; 阮华君
Original assignee: ZHEJIANG CHANGSHENGNIAO PHARMACEUTICAL CO Ltd; Tsinghua University
Current assignee: ZHEJIANG CHANGSHENGNIAO PHARMACEUTICAL CO Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: CN100427150C

Abstract

本发明公开了生物医用材料技术领域的涉及含有珍珠粉的新型骨置换材料的一种珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其制备方法和应用。所述准自然骨复合材料是基于纳米有机－无机复合的材料，通过在有机基体内共混加入珍珠粉，制备出准自然骨－珍珠粉/PEEK的有机－无机复合材料，利用注塑机或者模压设备在金属制品上包覆成型关节制品，或者直接成型关节制品。本发明从密度、生物相容性、生物活性、生物力学适应性和自愈合能力等方面全面模拟自然骨骼，用其替代不锈钢、钛合金和羟基磷灰石等骨置换材料或者用其对金属关节进行表面改性，解决骨骼和关节置换临床中遇到的实际问题。由于可采用注塑或模压工艺一次成型，成型简单容易，生产损耗小。

Description

珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其制备和应用

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域的，特别涉及含有珍珠粉的新型骨置换材料的一种珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其制备和应用。

背景技术

骨骼是自然界亿万年自然选择和进化所积累的精华，是人体通过生物矿化作用形成的有机-无机复合材料，能够在人体生理环境的苛刻条件下实现各种功能。然而，人骨的老化和意外损伤往往不可避免，因此病变骨骼最终要被替换。事实上，90％年龄在40岁以上的人都不同程度的患有关节疾病，其中，4～6千万人需要更换关节。据台湾金属中心估计，仅人工髋关节的全球市场年需求就高达25亿美元。

常见的骨和关节置换材料主要有三类：金属、陶瓷和聚合物，三者各有其优点和不足，但出于强度和安全性的考虑，迄今为止，骨和关节置换材料仍然首推金属与合金。由于密度小，生物相容性好，钛及钛合金是目前最好的骨骼和关节置换材料，在国外已经广泛采用。但是由于熔炼和加工成型困难，钛合金关节的生产成本过高，其中进口髋关节售价竟高达3万元/个，因此，过高的成本已经成为临床中骨骼和关节置换的主要障碍。在我国，成本相对较低但含有细胞毒性元素的传统不锈钢和钴铬钼合金仍然占有很大市场，而钛合金关节则基本上依赖进口。因此，低成本新型骨骼和关节置换材料的研究开发，直接关系到全人类的身体健康，具有重要的实际意义。

理想的负重型骨和关节置换材料应该同时具有优越的生物相容性、生物活性和生物力学适应性，钛及钛合金用于骨和关节置换仍存在许多不足。由于骨再建需要有适当的应力刺激，钛及钛合金过高的弹性模量(约110GPa)会导致植入体与骨(7～25GPa)之间力学失配，同时生物活性又低，因而常导致骨质疏松，并诱发严重的界面问题和二次炎症。解决上述问题的主要方法是钛合金的低模量设计和表面改性，这代表着当今负重型生物医学材料研究的两大热点，但是受金属材料本性的限制，低模量化终难有所突破，以羟基磷灰石(简写为HA)为主的表面改性研究也派生出了脆性大、界面结合强度低等问题，因此上述问题至今都没有得到解决，研制开发新型的低成本负重型骨和关节置换材料在临床中具有突出的紧迫性。

目前，尽管金属与合金仍然是临床中广泛采用的负重型骨骼和关节置换材料，但是受其本性限制，金属与合金永远都不可能真正地模拟自然骨。从本质上讲，自然骨骼是一种体现纳米杂化优势的纳米有机-无机复合材料，因此负重型骨骼和关节置换材料设计与开发的瓶颈仍然是金属、陶瓷和聚合物本性的限制，解决问题的出路最终还要基于纳米有机-无机复合的材料设计思想。目前，国内清华大学崔福斋教授等人已在这方面开展了卓有成效的工作，在文献“W.Zhang，S.S.Liao，and F.Z.Cui.Hierarchical Self-Assembly of Nano-Fibrils inMineralized Collagen.Chem.Mater.，2003，15：3221-3226”中报导制备了多孔纳米晶羟基磷灰石/胶原骨修复材料。聚合物固有的最大优势是“轻”，最大的不足则是强度和模量低；陶瓷材料的最大优势则是高硬度高耐蚀性，最大的不足则是脆性大。基于有机-无机复合的材料设计理念将两者在纳米尺度上进行复合可以获得与人体骨骼相近或一样的密度，用作骨骼和关节置换材料能够给人以舒适与一体化的感觉。王贵宾，姜振华，于闯，张万金，吴忠文(“特种工程塑料PES、PEEK的成型加工特性。化工科技，2001，9(2)：44～48”)中报导聚醚醚酮(PEEK)是一种有军用背景的新型超高性能特种工程塑料，韧性和刚性兼备，耐蠕变和抗疲劳性很突出，至今被认为是热塑性聚合物中性能最好的材料，可与铝合金媲美。大量的实验证明，聚醚酮类聚合物有着良好的生物相容性，但只有PEEK在生物盐水的离子作用下，耐磨性、光滑性和刚性等物理性质没有明显的降低，而且溶胀率也很低。所以PEEK是一种极具潜力的骨关节材料，它所固有的光滑性和生物相容性是迄今为止所有聚合物无法相比的。PEEK的医用价值近些年开始为人们所，美国用PEEK开发长期植入人体的骨关节、韧带、肘关节、手指等很多部位，应用效果很好。碳纤维增强的PEEK可与动物骨骼之间形成良好的接合，是一种极具应用潜力的骨骼和关节置换材料，目前我国第二军医大学已进行了关于PEEK颈椎椎间融合器方面的实验研究。采用碳纤维对PEEK改性可显著提高抗拉强度，但是抗磨损性能降低，复杂件难于成型，并且各向异性的长碳纤维/PEEK复合材料不适于制作承受压应力的骨骼和关节制品，此外，生理环境中还存在生物活性低、不可降解的碳微粒溶出、纤维与基体分离等不足。

另一方面，我国珍珠产量占全世界产量的95％，但是珍珠产量的80～85％为不具有装饰价值的低档珍珠，包括不规则珍珠、杂色珍珠和小珍珠等等。当前，规模化养殖已经造成低档珍珠大量库存积压，仅浙江诸暨市每年的积压量就高达300吨，价格急剧下跌，售价仅100～300元/公斤，而育珠的副产品蚌壳更是堆积如山。目前我国珍珠业正在堕入“高产陷阱”，提高低档珍珠的附加值，使珠农增收，拯救珍珠业，振兴地方经济，是整个珍珠产业发展面临的难题，业内人士普遍认识到加快低档珍珠的后续产业化开发是摆脱目前困境的唯一出路，相关的开拓性应用研究具有重要的现实意义。

珍珠、蚌壳、骨同为生物矿化产物，三者在形成本质上极为相近，其生物矿化都是受其所含有的有机组分调控。蚌壳由棱柱层和珍珠层组成，蚌壳珍珠层是软体动物在正常的生理条件下生物矿化的产物，约含有1.2～3.3wt％的有机组分，其余为碳酸钙，已有的研究表明这些少量的有机质内含有多种与骨生长相关的信号因子。Gerard Atlan和Evelyne Lopez在文献“Atlan G，Balmain N，Berland S，et al.C R Acad Sci Paris/Life Sci，1997；320：253-8.”中自信地进行了蚌壳珍珠层粉的人体实验，显示了很强的成骨活性。目前，国内张荣庆等人(张荣庆，等在CN 1476906A，“一种含有珍珠质的骨修复材料及其制备方法。”)利用蚌壳珍珠层开发了一种含有珍珠质的骨修复材料，也获得了很好的成骨活性。刘金标等人制备了适于用作骨缺损修复的可降解(蚌壳)珍珠层/聚乳酸复合材料，体外成骨细胞培养试验显示了材料具有很强的骨诱导能力。

与蚌壳珍珠层不同，珍珠是软体动物在抵抗外界损伤的积极生理条件下形成的特殊矿化产物。迄今为止，人们已经发现了24例人体珍珠，因此珍珠与人体内环境是完全相容的，从本质上讲，人体与软体动物形成珍珠的共同目的就是用与生物体相容的珍珠层去包裹与生物体不相容的异物。

珍珠富含多种生物活性物质，自古以来就是一种具有神奇的美容保健抗衰功效的天然药物。珍珠的主要成分为碳酸钙(含少量的磷酸钙、硅酸钙)、蛋白质、水分和多种微量元素，包括：Fe、Al、Mg、Zn、Se、Cu、Mn、Ge、K、Sr等。珍珠中的蛋白质是一种含有20余种氨基酸的壳角蛋白(或称角质蛋白)，含量高达8wt％，被称为珍珠活性物质，近年来的研究表明珍珠富含：独特的抗衰老因子-卟啉类化合物(PEG)、牛磺酸(2-氨基乙磺酸)、类胡萝卜素、光基欧磷氨基酸、几丁质等等。因此，珍珠预期含有更多的多种骨生长所需要的生长因子、激活物和营养组分，预期具有更强的诱导成骨活性。

实际上骨的形成是多种生长因子共同作用下实现的，因此单一生长因子刺激骨形成，不一定能获得有意义的结果。珍珠作为多种已知和未知类骨生长因子的天然载体，其本身就是一个相互协调共同作用的有机整体。

此外，骨移植手术诱发的感染占二次手术的30％，因此骨修复材料与药物(如云南白药)复合是新型骨修复材料研究的热点之一，但是药物与骨生长因子的复合功效具有很多不确定性。而珍珠自古以来就是一种具有广泛而神奇医疗保健功效的天然药物，其显著的抗菌消炎、美容保健、抗衰功效也早已为临床所证明。因此珍珠本身也是多种类骨生长因子与药物的天然载体，体现了新一代骨修复材料体系的特点。尤其是，廉价的低档珍珠使得珍珠用于骨修复在成本上成为可能，且极具优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其制备方法和应用。其特征在于，所述准自然骨复合材料是基于纳米有机-无机复合的材料，通过在有机基体内共混加入珍珠粉，制备出准自然骨-珍珠粉/PEEK有机-无机复合材料，并从密度、生物相容性、生物活性、生物力学适应性和自愈合能力等方面全面模拟自然骨骼，用其替代不锈钢、钛合金和羟基磷灰石等骨置换材料或者用其对金属关节进行表面改性，解决骨骼和关节置换临床中遇到的实际问题。

所述珍珠粉/PEEK复合材料中珍珠粉的含量是0.1～50wt.％，复合材料的密度和模量设计均以自然骨骼为目标，但是珍珠粉含量的确定综合考虑复合材料密度、模量、强度和成骨活性方面的要求。

所述珍珠粉/PEEK复合材料中，复合材料内珍珠粉的密度为2.74g/cm³，高于人骨密度，而PEEK的密度为1.32～1.4g/cm³，低于人骨密度，这就使得一定范围内复合材料的密度设计成为可能，使其更为接近人骨的密度。

所述珍珠粉在作为诱导成骨的活性启动因子和激活物时，采用微米级和/或纳米级珍珠粉的组合；在作为有机基体的增强体时采用纳米级珍珠粉。

所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其的制备方法的工艺过程为：在三维运动混合机，强制搅拌混合机，槽型混合机或桶式混合机的混合设备中，在常温下对PEEK粉和珍珠粉进行干混或者水混烘干的粗混合处理，然后在螺杆挤出机、轧机或塑化仪的共混设备中，对粗混的混合粉在350℃～400℃下进行共混造粒，获得珍珠粉/PEEK复合材料成型加工前的备用原料，最后在350℃～400℃下利用注塑机或者模压设备成型出各种型材，或者在金属制品上包覆成型关节制品，或者直接成型关节制品。

所述PEEK粉和珍珠粉进行干混或者水混烘干的粗混比例是在PEEK粉中加入总量的0.1～50wt.％的珍珠粉。

所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的制备方法，其特征在于，所述珍珠粉采用纳米级珍珠粉，或者微米级珍珠粉、或者微米级和纳米级珍珠粉的混合物。

所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的使用方法有三种：

1)作为硬组织修复和关节置换材料直接使用，通过注塑或模压成型；

2)在金属骨或关节制品珍外层包覆珍珠粉/PEEK复合材料：喷涂在金属关节制品表面进行表面改性，提高成骨活性；

3)在金属或关节表面喷涂PEEK或珍珠粉/PEEK，然后以其作为过渡层，再喷涂珍珠粉和/或HA，以提高生物活性。

依据：

(1)PEEK与金属、陶瓷、石墨均具有极强的粘结能力；

(2)金属作为主体以负重，PEEK作为过渡层以提高功能活性涂层与金属柄之间的结合强度，珍珠粉或HA或其它则作为生物活性层；

(3)由于PEEK与金属和无机或有机活性层之间均可实现高强度结合，因此PEEK过渡层的应用，不仅可以解决当今临床中HA与Ti合金难于结合的难题，甚至还可以避免HA与珍珠粉的脆性问题。

(4)可以通过设计解决刚度(模量)匹配、密度匹配等问题。

喷涂方法可参照蔡国华的专利方法：用聚醚醚酮树脂喷涂金属制品表面的方法及装置；申请号：00124753；公开号：1343534

本发明的优点和积极效果：

(1)本发明所选用的材料体系中的珍珠粉和PEEK均是现有的已应用于工业生产的材料，它们的制备工艺成熟，性能稳定，适合大规模的工业生产。

(2)通过在骨材料内加入珍珠粉，本发明骨材料具有诱导成骨的功能和自愈合能力。

(3)本发明珍珠粉/PEEK复合材料的密度、强度和模量(决定力学适应性)以及生物活性均可以通过珍珠粉含量的设计进行控制，使其密度和力学适应性与人骨相近；

(4)由于可采用注塑或模压工艺一次成型，成型简单容易，生产损耗小，且由于本发明复合材料密度远小于金属合金髋关节的密度，故本发明复合材料关节制品还具有明显的体积价格优势。因此利用本专利制备的准自然骨复合材料骨和髋关节制品的生产成本大大降低，市场前景广阔，经济效益可观，成果的推广对于推动我国健康计划的实施及振兴地方经济(珍珠养殖业及其深加工)具有重要意义。

附图说明

图1为纳米珍珠粉在模拟体液内诱导沉积HA。

图2为不同材料表面成骨细胞的增殖曲线。

图3为珍珠粉/PEEK有机-无机复合骨材料的制备工艺流程。

图4为K₂Ti₆O₁₃w/PEEK复合材料断口的SEM形貌

a.1#，PEEK；b.2#，10％K₂Ti₆O₁₃w；c.3#，20％K₂Ti₆O₁₃w；d.4#，30％K₂Ti₆O₁₃w

图5为微米珍珠粉与K₂Ti₆O₁₃w改性PEEK复合材料断口的SEM形貌

a.5#，10％K₂Ti₆O₁₃w+10％微米珍珠粉；b.6#，10％K₂Ti₆O₁₃w+10％微米珍珠粉；c.7#，20％微米珍珠粉。

图6为纳米珍珠粉与K₂Ti₆O₁₃w改性PEEK复合材料断口的SEM形貌，

a.8#，10％K₂Ti₆O₁₃w+10％纳米珍珠粉；b，c.9#，10％纳米珍珠粉。

图7为不同材料表面成骨细胞的增殖曲线。

图8为纳米珍珠粉(a)和微米珍珠粉(b))的原始形态。

图9为性能测试用试样示意图。

图10为人工髋关节柄。

具体实施方式

本发明提供一种珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料及其制备方法和应用。下面列举实施例予以说明。在实施例中所使用的纳米珍珠粉尺寸约为50-150nm，微米珍珠粉尺寸约为1-5μm，形貌如图8所示，均由长生鸟药业有限公司提供，珍珠粉的制备系采用纯物理方法，这确保了珍珠原有的生物活性。

表1珍珠粉与K₂Ti₆O₁₃改性PEEK复合材料抗拉强度和抗弯强度

样品	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#	8#	9#
样品	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#	8#	9#	抗弯强度/MPa抗拉强度/MPa	14488	185103	18898	11578	163112	151120	18499	167108	226116

材料的化学组成及配比：

1#-纯PEEK 2#-10wt.％K₂Ti₆O₁₃+PEEK 3#-20wt.％K₂Ti₆O₁₃+PEEK 4#-30wt.％K₂Ti₆O₁₃+PEEK 5#-10wt.％K₂Ti₆O₁₃+10％wt.％普通微米珍珠粉+PEEK

6#-10wt.％K₂Ti₆O₁₃+20wt.％普通微米珍珠粉+PEEK 7#-20wt.％普通微米珍珠粉+PEEK 8#-10wt.％K₂Ti₆O₁₃+10wt.％纳米珍珠粉+PEEK 9#-10wt.％纳米珍珠粉+PEEK。

实施例1：模拟体液(Simulated Body Fluid，简写为SBF)培养(按表2配方配制SBF)

骨医用材料的成骨活性一般用其表面的羟基磷灰石(HA)形成能力来评价，SBF培养试验可以很好地反映骨医用材料的HA形成能力，本发明对纳米珍珠粉进行了SBF培养。SBF配制用试剂、配方及其离子组成如表2所示，用(CH₂OH)₃CNH₂和1M盐酸调节SBF溶液的pH值为7.4。SBF的离子浓度和pH值与人体血浆相近。把待培养样品干燥，并将其浸入模拟体液，用保鲜膜把烧杯封好，放入37℃的恒温箱中，每隔2天更换一次模拟体液。培养一定天数后，将烧杯底部的粉状物过滤出来并干燥后进行电镜观察与分析(图1)，结果表明：通过纳米珍珠粉的降解，在模拟体液内诱导沉积形成了人骨的主要无机组分HA。

表2模拟体液和血浆的离子组成

离子	Na⁺	K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HCO₃ ^-	Cl^-	HPO₄ ^2-	SO₄ ^2-
离子	Na⁺	K⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HCO₃ ^-	Cl^-	HPO₄ ^2-	SO₄ ^2-	摩尔浓度血浆/mM SBF	142.0142.0	5.05.0	2.52.5	1.51.5	27.04.2	103.0148.5	1.01.0	0.50.5

备注：KokuboT，et al.J Biomed Mater Res，1990，24：331～343

实施例2：纳米珍珠粉与HA的对比细胞培养

一般来讲，难于利用细胞贴壁培养的方法对粉体样品进行成骨活性评价，为了评价珍珠粉的诱导成骨活性，本发明选用中性的琼脂糖粉作为中间媒介，利用细胞培养对纳米珍珠粉、HA粉、纳米珍珠粉和HA混合粉进行了成骨活性评价。具体方法是：分别称量纳米珍珠粉、HA粉、纳米珍珠粉和HA混合粉各1克，分别与等重量的琼脂糖粉混合，然后使用生理盐水(每种样品10ml水)，以溶质∶溶剂＝1∶5的比例配制溶液，并以纯琼脂糖作为对照。在无菌操作台上，样品在液体状态下倒入玻璃皿中，常温下凝固为固体。紫外线照射30分钟灭菌后，以3×10⁴个/ml的细胞密度铺板。每两天观察计数一次，其中在第5天更换了一次培养液。

培养用细胞及试剂

所用细胞：正常胚胎小鼠头盖骨成骨细胞(经SV40病毒转染使之永生化)。

细胞培养基：DMEM(高糖)培养基(GIBIOCO产品)+12％胎牛血清(天津生化制品厂)+80单位/毫升庆大霉素(国产)。

所用试剂：0.3％胰蛋白酶消化液(Sigma产品)、10％甲醛溶液作为细胞固定液、12％胎牛血清的正常培养基作为胰酶消化液中止液。

培养方案及过程

在紫外线消毒柜的无菌操作台上进行如下培养操作：

(1)将培养的OCT-1细胞(种子瓶)，吸除旧培养基，加入2ml的0.3％胰酶消化液(25cm²瓶)消化3分钟，待细胞缩圆卷起，然后加入2ml含12％胎牛血清DMEM培养基中止胰酶消化作用，用弯头吸管吹下贴壁细胞，将其装入离心管，以1200转/分离心3分钟。离心后弃去上清液，再向离心管加入2ml含12％胎牛血清的培养基，用吸管吹打细胞沉淀，制成悬液，再加8ml培养基，稀释细胞悬液计数。计数后用培养基调整细胞浓度。每两天更换一次细胞培养基。

(2)将经过灭菌处理的材料在无菌条件下放入24孔板各孔，将制备好的细胞悬液用移液管加入各孔，每孔放1ml，然后放入二氧化碳培养箱在5％CO₂、37℃条件下培养。

(3)每隔一定时间间隔，分别进行细胞浓度测定计数。具体为：先吸取干净测定计数孔内旧培养基，将测试材料用镊子取出放入到另一空白孔内，然后向各测定孔加入0.5ml胰酶消化液，进行细胞消化，待细胞完全被消化起来后，再加入0.5ml含12％胎牛血清的DMEM培养基中止消化。然后用1000μl取样器吸吹各孔内细胞，制成细胞悬液，然后移入到另一干净的小试管内，用于细胞计数。

(4)细胞计数：采用血球计数板，以白细胞计数法进行细胞计数，将计数结果绘制成细胞生长曲线。

(5)光镜观察：原位光镜观察材料边缘与孔底部细胞的生长状态。

图2是OCT-1成骨细胞在不同材料表面的增殖曲线，从不同曲线的走势和对比来看，纳米珍珠粉可以显著的刺激加速成骨细胞的增殖。如图所示，在继细胞铺板之后的恢复期内，琼脂糖(曲线1)和HA(曲线2)表面细胞密度相对于原始铺板密度有所下降，然而类似的恢复期细胞密度下降现象在纳米珍珠粉表面(曲线4)和纳米珍珠粉+HA表面(曲线3)却没有出现，在纳米珍珠粉表面的细胞密度对于全部实验点甚至呈一个稳步上升的趋势。若以恢复期内细胞首次达到原始铺板密度的时间作为恢复期长度，那么琼脂糖、HA、纳米珍珠粉+HA和纳米珍珠粉的恢复期长度分别是9天、7天、3天和少于3天。继“恢复期”之后，细胞开始快速增殖，但是不同的材料表面峰值细胞密度差别很大，其中纳米珍珠粉表面峰值细胞密度大约是HA的2.7倍，是pearl+HA的1.8倍。对应的光镜观察表明纳米珍珠粉样品的边界处具有最佳的细胞形态，在与样品的结合处细胞形态正常，细胞大多呈梭形，部分处于分裂期。这充分说明纳米珍珠粉的成骨活性明显优于HA，并且当纳米珍珠粉与HA复合后，可以提高纯HA的成骨活性。

实施例3：珍珠粉/PEEK有机-无机复合骨材料的制备及细胞培养

将纳米珍珠粉和PEEK粉分别在80℃和160℃下烘干3小时，随后常温下在玛瑙研钵内分别按照前述材料的化学组成及配比对粉体进行干混1小时，每种混合粉的总重均为200克，待混合均匀后，利用Hake塑化仪在360℃下对混合粉进行共混造粒，获得成型加工前的珍珠粉/PEEK有机-无机复合材料备用，最后在375℃下用专用模具进行热压成型，最终复合材料板材尺寸为12mm×12mm×4mm。随后在SHT5305型微机控制电液伺服万能试验机上进行抗拉强度和弯曲强度测试，测试用试样尺寸如图9所示。最后按照实施例2中所述的方法对纯PEEK和10％纳米珍珠粉/PEEK进行对比成骨细胞培养。

由表1可知，与K₂Ti₆O₁₃晶须和微米级珍珠粉相比，纳米珍珠粉对PEEK具有最佳的共混增强效果。2#、8#和9#复合材料的强度值对比表明：K₂Ti₆O₁₃w和纳米珍珠粉复合共混后反而会降低纳米珍珠粉对PEEK的强化效果。其中9#(10wt.％纳米珍珠粉/PEEK)复合材料具有最高的抗弯强度和抗拉强度，分别达226MPa和116MPa，这已达到并超过了自然骨骼的强度。

断裂试验表明纳米珍珠粉/PEEK复合材料具有最好的韧性。对比图4、5和6可以发现：随着增强体种类的变化，复合材料的断口形态发生了显著变化。纯PEEK(图4a)宏观断口呈带台阶的河流状，但微观上断口较为平坦；当K₂Ti₆O₁₃w与PEEK复合后，复合材料断口倾向于呈颗粒状(图4b-d)；当珍珠粉与PEEK复合后，复合材料断口则倾向于呈絮状撕裂岭(图5)，并且与微米珍珠粉/PEEK复合材料相比，纳米珍珠粉/PEEK复合材料的絮状撕裂岭更加细小而密集(图6)，因而具有最高的强韧性。

本研究发现纳米珍珠粉具有比K₂Ti₆O₁₃w更强的弥散强化效果，而且与其它材料相比，纳米珍珠粉增强的PEEK复合材料在强度试验中，表现出了很高的强韧性，分析其原因如下：珍珠粉本身即为有机-无机复合材料，所以用纳米珍珠粉去增强PEEK就相当于是用纳米有机-无机复合材料作为增强体去增强PEEK，体现了双重复合效果，这种独特的复合结构将使得增强体与基体间拥有极佳共混相容性，从而赋予复合材料以更佳的增强体/基体界面，使得天然纳米有机-无机复合材料超凡的强韧性在人工复合材料中得以保留，其机理有待于进一步深入研究。

由图7可知：经过8天培养后，9#样品(10％纳米珍珠粉/PEEK)上的细胞密度是1#样品(纯PEEK)的4倍以上，这说明经纳米珍珠粉改性后的PEEK表面成骨细胞增殖迅速，与纯PEEK相比，成骨活性显著提高，这说明经过热共混和成型加工后珍珠的生物活性依然得以保留。因此，用纳米珍珠粉对PEEK进行改性以提高其成骨活性是成功的。

实施例4：

将纳米珍珠粉和PEEK粉分别在80℃和160℃下烘干3小时，然后在常温下使用混粉机将PEEK粉和珍珠粉按照质量比9∶1的配比干混2小时，待混合均匀后，使用双螺杆挤出机或者Hake塑化仪在360℃下对混合粉进行共混造粒，最后在375℃下使用专门的髋关节成型模具进行注塑成型(注塑压力80～160MPa)或者热压成型以制备纳米珍珠粉/PEEK人工髋关节制品(如图10所示)。

实施例5：

将纳米珍珠粉和PEEK粉分别在80℃和160℃下烘干3小时，然后在常温下使用混粉机将PEEK粉和珍珠粉按照质量比9∶1的配比干混3小时，待混合均匀后，使用双螺杆挤出机或者Hake塑化仪在360℃下对混合粉进行共混造粒。316L不锈钢髋关节的表面粗糙化成型处理(由天津特种钢器件厂提供)，以在髋关节柄部获得粗糙的表面。在具有粗糙表面的不锈钢髋关节表面注塑(注塑压力80～160MPa)或者喷涂3mm厚的纳米珍珠粉/PEEK骨材料，最终即得纳米珍珠粉/PEEK-不锈钢梯度复合人工髋关节制品。

实施例6：

将纳米珍珠粉和PEEK粉分别在80℃和160℃下烘干3小时，然后在常温下使用混粉机将PEEK粉和珍珠粉按照质量比9∶1的配比干混3小时，待混合均匀后，使用双螺杆挤出机或者Hake塑化仪在360℃下对混合粉进行共混造粒。316L不锈钢髋关节的表面粗糙化成型处理(由天津特种钢器件厂提供)，以在髋关节柄部获得粗糙的表面。然后在具有粗糙表面的不锈钢髋关节表面注塑(注塑压力80～160MPa)或者喷涂3mm厚的纳米珍珠粉/PEEK骨材料，最后在最外层喷涂厚约100微米的纯珍珠粉(该层珍珠粉由等质量比的微米珍珠粉和纳米珍珠粉组成)，最终即得不锈钢-纳米珍珠粉/PEEK-珍珠粉梯度层状复合的人工髋关节制品。

Claims

1.一种珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料，其特征在于，所述准自然骨复合材料是基于纳米有机-无机复合的材料，通过在有机基体内共混加入珍珠粉，制备出准自然骨-珍珠粉/PEEK有机-无机复合材料，其中珍珠粉的含量是0.1～50wt％，复合材料的密度和模量均以自然骨骼为目标，但是珍珠粉含量的确定综合考虑复合材料密度、模量、强度和成骨活性方面的要求。

2.根据权利要求1所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料，其特征在于，所述珍珠粉/PEEK复合材料中，复合材料内珍珠粉的密度为2.74g/cm³，高于入骨密度，而PEEK的密度为1.32～1.4g/cm³，低于人骨密度，便于在一定范围内对复合材料的密度进行设计，使其更为接近人骨的密度。

3.根据权利要求1所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料，其特征在于，所述珍珠粉在作为诱导成骨的活性启动因子和激活物时，采用微米级和/或纳米级珍珠粉的组合；在作为有机基体的增强体时采用纳米级珍珠粉。

4.权利要求1所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的制备方法，其特征在于，所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的制备方法的工艺过程为：在三维运动混合机，强制搅拌混合金，槽型混合机或桶式混合机的混合设备中，在常温下对PEEK粉和珍珠粉进行干混或者水混烘干的粗混合处理，然后，在螺杆挤出机、轧机或塑化仪的共混设备中，对粗混的混合粉在350℃～400℃下进行共混造粒，获得珍珠粉/PEEK复合材料成型加工前的备用原料，最后在350℃～400℃下利用注塑机或者模压设备成型出各种型材，或者在金属制品上包覆成型关节制品，或者直接成型关节制品。

5.根据权利要求4所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的制备方法，其特征在于，所述PEEK粉和珍珠粉进行干混或者水混烘干的粗混比例是在PEEK粉中加入总量的0.1～50wt％的珍珠粉。

6.根据权利要求5所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的制备方法，其特征在于，所述珍珠粉采用纳米级珍珠粉，或者微米级珍珠粉、或者微米级和纳米级珍珠粉的等量混合物。

7.权利要求1所述珍珠粉/PEEK准自然骨复合材料的应用，其特征在于，所述珍珠粉/PEEK复合材料的使用方法有三种：