一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，该方法是将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，编织成条状织物；或者，将碳纤维束或碳纤维绳与高分子纤维混合编织成混编条状织物；或者，将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，与高分子纤维混合编织成条状织物；将条状织物或混编条状织物利用模具辅助固化成型后，负压热分解处理脱除树脂或高分子，再通过化学气相沉积和/或浸渍‑裂解增密基体碳和/或碳化硅，最后制备PyC涂层和/或DLC涂层，即得生物相容性好，力学性能优异，且内部具有连续的通孔，有利于自体组织穿透性内生的碳纤维复合材料仿形人工骨，该方法操作简单，成本低，有利于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法
本专利技术涉及一种人工骨，特别涉及一种碳纤维复合材料仿形人工骨，属于生物材料

技术介绍
临床上，人工骨植入是因创伤、肿瘤、感染以及发育异常引起的骨缺损导致解剖学上重建临床治疗的有效手段。目前，作为人工骨植入材料主要有金属、陶瓷、高分子材料，其主要存在以下问题：金属存在易磨损、易疲劳、易腐蚀、骨质吸收、医学影像有伪影等不足；高分子材料存在着老化、抗蠕变性能差、毒性反应、血栓形成等不足，而陶瓷材料存在着无塑性、质脆、易折断等缺点。近年来，具有优异力学性能的复合材料得到了快速发展，为人工骨材料的无机非金属化提供了有利契机。其中碳基材料具有良好的生物相容性，如无医学影像伪影、不释放有毒物质，纤维增强表现出与原生骨匹配的生物力学性能等优点。中国专利(CN108577957A)公开了一种碳/碳-碳化硅复合材料接骨板，其包括由0°无纺布、碳纤维网胎和90°无纺布依次交替叠层形成的碳/碳复合材料基材，表面包覆有热解碳和碳化硅涂层。其内纤维增强体并不连续，韧性较差，而且会因加工损伤增强体导致接骨板力学性能减低。为了实现解剖学上的重建，中国专利(CN108171798A)公开了依据医学影像数据模型采用选区激光熔化3D打印制备个性化碳陶复合材料接骨板，所用短切碳纤维以均匀分布或非均匀分布的方式分布于结构内且表面包覆有树脂碳。但是其增强体为短碳纤维、力学性能欠佳，有存在脆性断裂的风险。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的是在于提供一种生物相容性好，力学性能优异，且内部具有连续的通孔，有利于自体组织穿透性内生的碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，该方法操作简单，成本低，有利于大规模生产。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，该方法包括以下步骤：1)将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，编织成条状织物；或者，将碳纤维束或碳纤维绳与高分子纤维混合编织成混编条状织物I；或者，将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，与高分子纤维混合编织成混编条状织物II；2)将条状织物、混编条状织物I或混编条状织物II利用模具辅助固化成型，得到仿形人工骨预制体；3)将仿形人工骨预制体进行热分解处理，得到多孔仿形人工骨预制体；4)所述多孔仿形人工骨预制体通过化学气相沉积和/或浸渍-裂解增密基体碳和/或碳化硅，得到仿形人工骨坯体；5)在仿形人工骨坯体表面制备PyC涂层和/或DLC涂层，即得。本专利技术的技术方案的关键是在于采用了树脂来浸渍碳纤维或采用高分子纤维与碳纤维进行混编，树脂或高分子纤维起到两方面重要的作用，一方面，起到辅助塑性的作用，利用树脂的交联固化或者高分子纤维的热塑性，在固化成型过程中能够将碳纤维织物固化定型，从而可以实现仿形，另一方面，这些树脂和高分子纤维可以在后续的快速升温热解过程中挥发，残留较低，可以留下大量贯穿的孔洞，有利于自体组织穿透性内生。作为一个优选的方案，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂中至少一种。这些高分子材料在后续的快速升温负压热解过程中，分解成含碳的小分子，这些小分子容易被在连续真空抽离过程中被转移出仿形人工骨预制体，从而可预留出大量孔洞。作为一个优选的方案，碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂过程中，树脂与碳纤维束或碳纤维绳的质量比为5～10：90～95。树脂的用量决定着仿形人工骨预制体内部的孔隙率，因此需要控制其用量在合适的比例范围内。作为一个优选的方案，所述混编条状织物I和所述混编条状织物II中高分子纤维的质量百分比含量为5％～30％。作为一个优选的方案，所述高分子纤维为聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚碳酸酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚甲醛纤维中至少一种。这些高分子纤维在后续的快速升温负压热解过程中，分解成含碳的小分子，在连续真空抽离过程中被转移出碳纤维预制体，从而可预留出大量连续孔洞。作为一个优选的方案，所述碳纤维束由1k以上复数根碳纤维组成，k表示一千根。例如1k、1.5k、3k、6k、12k或24k等等。作为一个优选的方案，所述碳纤维绳由至少两股碳纤维束加捻而成。如采用3股1k碳纤维束加捻而成，或者2股3k碳纤维束加捻而成，等等，根据实际情况进行选择。作为一个优选的方案，所述高分子纤维以高分子纤维束形式与碳纤维束混合编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式与碳纤维束混合加捻成绳，再编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式与碳纤维束混合加捻成绳，再与碳纤维绳混合编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式加捻成绳，再与碳纤维绳混合编织成混编条状织物I；或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合加捻成绳，再编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合加捻成绳，再与浸渍树脂的碳纤维绳混合编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式加捻成绳，再与浸渍树脂的碳纤维绳混合编织成混编条状织物II；所述高分子纤维束由2根以上高分子纤维组成，根数为2、3、12、24、36、48、72、96、144、196、248等；所述高分子纤维绳由至少两股高分子纤维束加捻而成。通过混合编织或者浸渍等方式可以将树脂或高分子纤维均匀掺杂在碳纤维中，有利于后续形成贯穿的孔隙。本专利技术技术方案将碳纤维束表面浸渍树脂或者与高分子纤维混编，能够将高分子材料均匀掺杂在碳纤维材料内部，通过负压热解挥发脱除后，可以在仿形人工骨预制体预留下大量贯穿的孔隙，有利于自体组织穿透性内生。作为一个优选的方案，所述固化成型的条件为：固化温度为200℃～350℃，时间为3h～10h，升温速率5℃～10℃/min。作为一个优选的方案，所述负压热分解处理的条件为：在压力＜5kPa的条件下，以3℃/min～10℃/min升温速率升温至500℃～1000℃，保温1h～5h小时。经过负压热分解处理，可以将树脂和高分子纤维彻底脱除，碳纤维编织物中留下贯穿通孔。作为一个优选的方案，化学气相沉积增密基体碳的过程为：将仿形人工骨预制体置于沉积炉中，在850℃～1300℃温度下，通入的含碳气源，沉积20h～200h。作为一个优选的方案，浸渍-裂解增密基体碳的过程为：将仿形人工骨预制体依次经过树脂或沥青真空加压浸渍、固化和裂解处理；浸渍压力为1.0MPa～5.0MPa，浸渍时间为2h～10h；固化温度为160℃～230℃，固化时间为10h～50h；树脂裂解温度为900℃～1050℃，压力为常压，裂解时间为2h～20h；沥青裂解温度为750℃～850℃，压力为50MPa～200MPa，裂解时间为2h～20h。作为一个优选的方案，化学气相沉积增密碳化硅的过程为：将仿形人工骨预制体置于沉积炉中，在900℃～1300℃温度下，通入气态碳硅源，沉积20h～200h。作为一个优选的方案，浸渍-裂解增密碳化硅的过程为：将仿形人工骨预制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/n1)将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，编织成条状织物；或者，将碳纤维束或碳纤维绳与高分子纤维混合编织成混编条状织物I；或者，将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，与高分子纤维混合编织成混编条状织物II；/n2)将条状织物、混编条状织物I或混编条状织物II利用模具辅助固化成型，得到仿形人工骨预制体；/n3)将仿形人工骨预制体进行负压热分解处理，得到多孔仿形人工骨预制体；/n4)所述多孔仿形人工骨预制体通过化学气相沉积和/或浸渍-裂解增密基体碳和/或碳化硅，得到仿形人工骨坯体；/n5)在仿形人工骨坯体表面制备PyC涂层和/或DLC涂层，即得。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，编织成条状织物；或者，将碳纤维束或碳纤维绳与高分子纤维混合编织成混编条状织物I；或者，将碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂后，与高分子纤维混合编织成混编条状织物II；
2)将条状织物、混编条状织物I或混编条状织物II利用模具辅助固化成型，得到仿形人工骨预制体；
3)将仿形人工骨预制体进行负压热分解处理，得到多孔仿形人工骨预制体；
4)所述多孔仿形人工骨预制体通过化学气相沉积和/或浸渍-裂解增密基体碳和/或碳化硅，得到仿形人工骨坯体；
5)在仿形人工骨坯体表面制备PyC涂层和/或DLC涂层，即得。


2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂中至少一种；
所述高分子纤维为聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚碳酸酯纤维、聚醚醚酮纤维、聚甲醛纤维中至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：碳纤维束或碳纤维绳浸渍树脂过程中，树脂与碳纤维束或碳纤维绳的质量比为5～10：90～95。


4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：所述混编条状织物I或所述混编条状织物II中高分子纤维的质量百分比含量为5％～30％。


5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：
所述碳纤维束由1k以上复数根碳纤维组成，k表示一千根；
所述碳纤维绳由至少两股碳纤维束加捻而成。


6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料仿形人工骨的制备方法，其特征在于：所述高分子纤维以高分子纤维束形式与碳纤维束混合编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式与碳纤维束混合加捻成绳，再编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式与碳纤维束混合加捻成绳，再与碳纤维绳混合编织成混编条状织物I，或者，以高分子纤维束形式加捻成绳，再与碳纤维绳混合编织成混编条状织物I；或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合加捻成绳，再编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式与浸渍树脂的碳纤维束混合加捻成绳，再与浸渍树脂的碳纤维绳混合编织成混编条状织物II，或者，以高分子纤维束形式加捻成绳，再与浸渍树脂的碳纤维绳混合编织成混编条状织物II；
所述高分子纤维束由2根以上高分子纤维组成；
所述高分子纤维绳由至少两股高分子纤维束加捻而成。


7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭周建，张翔，王斌，刘波，蔡志霞，
申请(专利权)人：湖南碳康生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43