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CN1593670A - 聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法 - Google Patents

聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法。用于生物医学领域。本发明材料，是用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料形成的，其组成成分及其重量百分比为：碳纤维10－60％，余量为聚醚醚酮。当碳纤维采用短切碳纤维时，首先按照重量百分比称取短切碳纤维与聚醚醚酮树脂，在高速混合机中进行预混合，然后用双螺杆挤出机高温混炼、挤出、造粒、模压成型；当碳纤维采用连续碳纤维，首先称取正交增强的碳纤维平纹布和聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向在0－90°范围内变化，然后放入平行板的模具中，模压成型。本发明具有高耐磨损性、与骨组织有较好的力学相容性，解决了由假体材料引起的关节假体松动以及骨吸收、骨萎缩等一系列并发症。

Description

聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种全髋股骨头假体材料及其制备方法，具体是一种聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法。用于生物医用复合材料领域。
背景技术
晚期髋关节疾病最有效的治疗方法是全髋关节置换术，其主要目的是解除髋部疼痛、保持关节稳定、改善关节功能、调整双下肢长度。目前商业化并在临床大量使用的仅局限于不锈钢(铁基合金)、钴基合金和钛基合金这三类金属材料制成的全髋股骨头假体，其中钴合金强度高、耐磨损性能好，生物相容性优良，是目前应用最广泛的一类合金。从人工关节成形术(THA)产生至今，人工关节假体松动一直是长期困扰人工关节外科领域的难题，也是导致THA失败的重要原因之一。最早使用丙烯酸骨水泥固定人工髋关节，并被后人称为第一代骨水泥技术，术后十年证实松动率高达30％。为了改善假体的固定，一部分学者致力于提高骨水泥技术，另一部分学者发展了无骨水泥的生物固定技术，但也遇到了假体松动的问题，有时其骨吸收及假体松动比骨水泥假体还要严重。其原因主要有：1、刚性金属材料的弹性模量为骨的6-13倍，当与骨固定形成一个受力单位时，应力将沿高弹性模量的金属材料集中下传，而低弹性模量的骨组织由于缺乏应力刺激而逐渐吸收，这种“应力遮挡”作用使假体失去骨支撑而松动。2、假体置入人体后，在受力条件下运动必然发生磨损，磨损产生的大量磨屑进入到有效关节间隙中，激活巨噬细胞引发破骨细胞性骨溶解导致假体松动。因此，研制低模量、耐磨损的关节材料是发展的重要方向。以往研制的树脂基复合材料的低模量特点有希望彻底解决“应力遮挡”问题，但是也存在耐磨性差、置入体内易产生大量磨屑引发严重的骨溶解和松动的缺陷。
经文献检索发现，中国专利名称：金属基多孔金属氧化物/羟基磷灰石复合人工骨及制备方法，申请号：03142150.4，该专利提及到一种金属基多孔金属氧化物/羟基磷灰石复合人工骨，可有效用作承受大负荷部位的骨替代物的材料，例如股骨、髋关节等。此种复合材料虽然通过在金属基上迭置金属氧化物陶瓷层和羟基磷灰石层，提高了生物相容性和力学性能，但由于金属材料的存在会不可避免地无法彻底解决“应力遮挡”问题和产生磨屑的弊病。
发明内容
本发明针对上述的不足和缺陷，提供一种聚醚醚酮全髋股骨头假体材料及其制备方法，使其具有高耐磨损性、与骨组织有较好的力学相容性，解决目前现用材料由关节磨屑、应力遮挡和应力集中导致的关节假体松动以及骨吸收、骨萎缩等一系列并发症。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明聚醚醚酮全髋股骨头假体材料是一种用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料形成的全髋股骨头假体材料，该复合材料包含的组成成分及其重量百分比为：碳纤维10-60％，余量为聚醚醚酮。
所述的聚醚醚酮经碳纤维增强后可进一步提高其力学性能和耐磨性，所用的碳纤维为短切碳纤维或连续碳纤维。
本发明聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的制备方法，可根据所用碳纤维种类不同分为两种：当碳纤维采用短切碳纤维时，首先按照重量百分比称取短切碳纤维与聚醚醚酮树脂，在高速混合机中进行预混合，然后用双螺杆挤出机高温混炼、挤出、造粒、模压成型；当碳纤维采用连续碳纤维，首先称取正交增强的碳纤维平纹布和聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向在0-90°范围内变化，然后放入平行板的模具中，模压成型。
方法中，所述的模压成型为：将需模压的材料放入模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压20-50MPa，保温保压1-3小时，然后以10-30℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至130-140℃范围内时脱模。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明具备以下优点和积极作用：1.复合材料的模量与人体股骨相匹配，与股骨具有良好的力学相容性，为骨组织与假体的稳定结合、促进生物学固定创造了良好的生物力学环境。2.具有一定的强度和高耐磨损性。3.具有良好的生物相容性。4.可解决目前现用材料由关节磨屑、应力遮挡和应力集中导致的关节假体松动以及骨吸收、骨萎缩等一系列并发症。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作详细描述。
实施例1
聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的组成成分及其重量百分比为：碳纤维20％％，聚醚醚酮80％。
称取200g短切碳纤维与800g聚醚醚酮树脂，在高速混合机中进行预混合，然后用双螺杆挤出机高温混炼、挤出、造粒。将需模压的粒料放入模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压20MPa，保温保压2小时，然后以20℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至140℃时脱模。
实施例2
聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的组成成分及其重量百分比为：碳纤维10％％，聚醚醚酮90％。
称取100g正交增强的碳纤维平纹布和900g聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向为0°。将上述叠层材料放入平行板的模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压40MPa，保温保压3小时，然后以10℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至135℃时脱模。
实施例3
聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的组成成分及其重量百分比为：碳纤维40％，聚醚醚酮60％。
称取400g正交增强的碳纤维平纹布和600g聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向为45°。将上述叠层材料放入平行板的模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压50MPa，保温保压1小时，然后以30℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至130℃时脱模。
实施例4
聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的组成成分及其重量百分比为：碳纤维60％，聚醚醚酮40％。
称取600g正交增强的碳纤维平纹布和400g聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向为45°。将上述叠层材料放入平行板的模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压30MPa，保温保压2小时，然后以10℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至135℃时脱模。
实施例1-4效果如下：
  聚醚醚酮   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4
  弹性模量(Gpa)     3.8     20   26.3   93.9    138.9
  拉伸强度(Mpa)     94     224   387.6   1268.4    1855.6
陶瓷湿磨100分钟的磨损实验结果表明，钛合金、钴铬钼合金以及UHMWPE的体积磨损率分别为实施例3制备的碳纤维/聚醚醚酮复合材料的53.7倍、21.6倍和2.3倍，说明本发明制备的复合材料具有高耐磨损性。
同时，兔的骨内柱状体置入实验结果表明，实施例1-4制备的碳纤维/聚醚醚酮复合材料表现出优良的生物相容性和力学相容性。

Claims (4)

1、一种聚醚醚酮全髋股骨头假体材料，其特征在于，所述的全髋股骨头假体材料是用碳纤维增强聚醚醚酮复合材料形成的，其组分及其重量百分比为：碳纤维10-60％，余量为聚醚醚酮。
2、根据权利要求1所述的聚醚醚酮全髋股骨头假体材料，其特征是，碳纤维为短切碳纤维或连续碳纤维。
3、一种聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的制备方法，其特征在于，所述的假体材料其组成成分及其重量百分比为：碳纤维10-60％，余量为聚醚醚酮，当碳纤维采用短切碳纤维时，首先按照重量百分比称取短切碳纤维与聚醚醚酮树脂，在高速混合机中进行预混合，然后用双螺杆挤出机高温混炼、挤出、造粒、模压成型；当碳纤维采用连续碳纤维，首先称取正交增强的碳纤维平纹布和聚醚醚酮树脂，进行叠层，纤维增强方向在0-90°范围内变化，然后放入平行板的模具中，模压成型。
4、根据权利要求3所述的聚醚醚酮全髋股骨头假体材料的制备方法，其特征是，所述的模压成型为：将需模压的材料放入模具中，合模后放入压机，由室温升至400℃，加压20-50MPa，保温保压1-3小时，然后以10-30℃/min的降温速率从400℃降至300℃，而后立即风冷，当温度降至130-140℃范围内时脱模。
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