一种假人用仿骨骼高分子复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于仿生高分子复合材料技术领域，涉及一种假人用骨骼高分子复合材料的制备方法及应用。该复合材料首先采用工业偶联剂处理无机填充剂；其次将热固性树脂、无机填充剂、交联剂等充分混合均匀进行浇注低温预固化，再升温固化；或将热塑性树脂、机填充剂等充分混合均匀进行高温浇注成型。通过改变原料种类、重量分数等，可以制备得到具有人体不同部位骨骼力学性能相似的高分子复合人造骨材料。该复合材料在三点弯力学测试中，弯曲强度30～160MPa，弯曲模量5～18GPa。本发明专利技术所制备的高分子复合人造骨材料是一种力学性能可与不同部位人体骨骼高度相似的仿生材料，能满足开发出需要模拟碰撞、穿透等测试要求假人的应用需求。

Preparation and application of a kind of bone like polymer composite for dummy

【技术实现步骤摘要】
一种假人用仿骨骼高分子复合材料的制备方法及应用
本专利技术属于仿生高分子复合材料
，涉及一种假人用仿骨骼高分子复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
目前普遍存在的方法是采用测试假人代替真人模拟人体在汽车碰撞、打靶、跳伞、航空航天等极端环境下的受力场合进行安全性能测试。为了更真实地模拟人体对外界的力学响应，开发出能高度仿生人体不同部位、不同年龄段、不同人种骨骼力学性能的材料是制造测试假人的关键。目前国际上使用的假人一般采用铝合金、钢等金属通过零部件铆接成人体骨架，依靠外层包覆一层阻尼材料来实现受到冲击后的力学响应，而人体的外层皮肤则采用乙烯基树脂、异丁橡胶等材料近似地模仿人体的皮肤和富有粘弹性行为的肌肉脂肪层。这些材料制造的假人价格比较昂贵市场价约100万/个，而且整个假人市场几乎收到美国市场的垄断。基于白种人研制的价格昂贵的假人显然不太适用于国内需要开展的一次性损伤实验，因此开发出价格低廉、又能满足力学响应要求的测试假人具有非常切实的意义。人体共有206块骨，它们相互连接构成人体的骨架——骨骼，分为颅骨、躯干骨和四肢骨三大部分。骨组织形式分为两种：密致骨(或称皮质骨)和松质骨(或称小梁骨)。皮质骨的弹性模量范围在10～15GPa，弯曲强度范围在150～180MPa；松质骨的弹性模量范围只有5～10GPa，弯曲强度范围在50～120MPa。因此，人体中不同部位的骨骼的力学性能也存在较大的差异。此外，不同性别、年龄段甚至是不同人种的人体骨骼的力学性能也会有显著差异。目前人造骨的主体材料主要包括金属基、无机和高分子基三大类，具体表现为金属合金、磷酸钙盐骨水泥和PMMA骨水泥。金属合金主要是钛合金，具有较好的生物相容性已广泛用于骨移植、骨修复等医用领域，但其造价昂贵，不适于一次性损伤假人。磷酸钙盐骨水泥的成分主要是磷酸钙，与人体骨骼的成分高度相似，也具有很好的生物相容性，相比于钛合金兼具成本低廉的优点，是目前人造骨研究的热点。但是，现有的磷酸钙盐骨水泥的力学性能远低于人体骨骼，无法准确表达人体骨骼的力学响应行为。PMMA骨水泥属于高分子复合材料，由于组分聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为生物惰性材料，而且力学性能较差，目前已经被磷酸钙盐骨水泥所取代。已有的专利(CN201420869511.2)公开了一种人造骨骼，包括人造骨骼基体，所述人造骨骼基体内部开有若干沿长度方向贯通所述人造骨骼基体的空腔，空腔沿人造骨骼基体的径向均匀分布，空腔表面具有纯钛或钛合金的面层，利于人造骨骼植入后与自然骨骼的生长结合能力，但其密度和人体差距巨大，且力学性能与人体骨骼也不相符，只能应用于医疗方面。另外，专利(CN00819398.3)公开了一种作为骨传导和生物降解的骨代用材料的磷酸钙人造骨，该人造骨包含普通的磷酸钙骨水泥和线性多磷酸盐的新型磷酸钙人造骨，得到一种对人体无毒、化学稳定、具有优良的生物可降解的人造骨材料，但这种人造骨不仅制备工艺复杂，而且其力学性能远低于人体骨骼，也只能用于医疗领域而不能应用于实验假人。由此可以看出，目前研究的人造骨骼大多采用金属合金或磷酸钙为主体材料，造价昂贵且力学性能无法满足假人的实验要求，更不适用于一次性损伤实验使用的假人材料。高分子材料是由小分子通过聚合反应合成的一种聚合物材料，具有合成工艺简单，操作方便，价格低廉等优点。但是，相比于金属材料，高分子材料的力学性能较差，其弯曲强度和弯曲模量达不到人体骨骼的水平，阻碍了其作为假人材料使用。因此，开发一种能够满足人体骨骼力学性能的高分子材料人造骨来取代传统的金属合金人造骨，对于降低一次性损伤实验假人的造价成本具有重要的现实意义。为了解决高分子材料力学性能较差的缺点，加入合适的无机填充剂来进行增强是一种十分有效的手段，可以极大提高高分子材料的弯曲强度和弯曲模量。可以选用热塑性或热固性树脂两大类合成树脂作为人造骨骼的基体材料，通过改变交联剂、工业偶联剂、无机填充剂种类及比例、温度、时间、成型工艺等，可以制备出力学性能与人体骨骼相当的高分子复合人造骨材料。在三点弯曲测试中，弯曲强度为30～160MPa，弯曲模量为5～18GPa，是一种力学性能与人体骨骼相当的高度仿生材料，可以模拟出真实人体骨骼受力的力学性能，十分适合作为一次性损伤实验假人的材料。综上所述，目前关于人造骨的研究主要集中在生物医疗领域，使用的是以金属合金或磷酸钙作为主体的材料，缺乏假人使用的高分子人造骨材料方面的研究。传统的假人均使用金属合金代替人骨，不仅造价昂贵，而且难以精确的模拟人体骨骼在各种极限环境下的力学响应行为和破坏性描述。因此，开发出假人用仿生人体骨骼力学性能的高分子复合材料，对于制造各种需要模拟人体骨骼力学性能仿生假人的应用具有非常重要的意义。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的首要目的是提供一种假人用仿骨骼的高分子人造骨复合材料，该人造骨复合材料符合人体骨骼不同部位的弯曲强度和模量。本专利技术的第二个目的是提供一种假人用仿骨骼的高分子人造骨复合材料的制备方法。本专利技术的第三个目的是开创了一种仿生人体骨骼力学性能的人造骨复合材料在假人领域的应用。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：所述假人用仿骨骼的高分子人造骨复合材料的制备过程，包括以下几个步骤：采用工业偶联剂处理无机填充剂；将热塑性树脂、处理过的无机填充剂等按照一定的质量分数充分混合均匀进行高温浇注成型制备高分子人造骨复合材料。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：所述假人用仿骨骼的高分子人造骨复合材料的制备过程，包括以下几个步骤：采用工业偶联剂处理无机填充剂；其次将热固性树脂、处理过的无机填充剂、交联剂等按照一定质量分数充分混合均匀进行浇注，低温预固化，再升温固化制备高分子人造骨复合材料。优选地，所述复合材料的力学性能可调：在三点弯力学测试中，弯曲强度30～160MPa，弯曲模量5～18GP。优选地，所述复合材料的密度在1.1～3.2g/cm3。优选地，所述复合材料使用的工业偶联剂可为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类的一种或多种组合；所述的硅烷类工业偶联剂可为KH550、KH560、KH570、A151、A171中的一种或多种组合；所述的钛酸酯类可为单烷氧基型、单烷氧基焦磷酸酯型、整合型和配位体型；所述的铝酸酯类可为SG-Al821(二硬脂酰氧异丙基铝酸酯)、DL-411、DL-411AF、DL-411D、DL-411DF、防沉降性铝酸ASA。优选地，所述复合材料使用的热塑性树脂可为丙烯酸类树脂、聚苯硫醚、聚醚醚酮的一种或多种组合；所述的丙烯酸类树脂可为聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯。优选地，所述复合材料使用的所述的热固性树脂可为环氧树脂、热固性酚醛树脂、热固性脲醛树脂、热固性聚氨酯的一种或多种组合。优选地，所述复合材料使用的热固性环氧树脂的交联剂可为三乙醇胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、二氨基二苯基甲烷中的一种或多种组合。优选地，所述复合材料使用的热固性酚醛树脂的交联剂可为对甲苯磺酸、苯磺酸、石油磺酸钠本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种假人用仿骨骼的高分子复合材料，其特征在于，该材料是由无机填充剂、工业偶联剂、热塑性树脂或者热固性树脂以及交联剂复合获得。/n

【技术特征摘要】
1.一种假人用仿骨骼的高分子复合材料，其特征在于，该材料是由无机填充剂、工业偶联剂、热塑性树脂或者热固性树脂以及交联剂复合获得。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的力学性能可调：在三点弯力学测试中，弯曲强度30～160MPa，弯曲模量5～18GPa。


3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的密度在1.1～3.2g/cm3。


4.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于包含这些步骤：采用工业偶联剂处理无机填充剂；其次将热塑性树脂、处理过的无机填充剂等按照一定的质量分数充分混合均匀进行高温浇注成型制备高分子人造骨复合材料。


5.根据权利要求1所述的复合材料的制备方法，其特征在于包含这些步骤：采用工业偶联剂处理无机填充剂；其次将热固性树脂、处理过的无机填充剂、交联剂等按照一定质量分数充分混合均匀进行浇注，低温预固化，再升温固化制备高分子人造骨复合材料。


6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的工业偶联剂可为硅烷类、钛酸酯类、铝酸酯类的一种或多种组合；所述的硅烷类工业偶联剂可为KH550、KH560、KH570、A151、A171中的一种或多种组合；所述的钛酸酯类可为单烷氧基型、单烷氧基焦磷酸酯型、整合型和配位体型；所述的铝酸酯类可为SG-Al821(二硬脂酰氧异丙基铝酸酯)、DL-411、DL-411AF、DL-411D、DL-411DF、防沉降性铝酸ASA。


7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的热塑性树脂可为丙烯酸类树脂、聚苯硫醚、聚醚醚酮的一种或多种组合；其中所述的丙烯酸类树脂可为聚甲基丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯。


8.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的热固性树脂可为环氧树脂、热固性酚醛树脂、热固性脲醛树脂、热固性聚氨酯的一种或多种组合。


9.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述的热固性环氧树脂的交联剂可为三乙醇胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺、间苯二胺、二氨基二苯基甲烷中的一种或多种组合。
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【专利技术属性】
技术研发人员：郭坤琨，丁剑男，颜凌波，胡坚，曹立波，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43