基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于医用材料领域，具体为一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。本发明专利技术以取向碳纳米管纤维为基础，通过多股纤维多级螺旋，应力释放得到双螺旋纤维作为韧带植入材料。由本发明专利技术得到的韧带材料拉伸模量1.4

【技术实现步骤摘要】
基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于医用材料
，具体涉及一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]致密结缔组织是连接骨骼与骨骼、骨骼与肌肉之间的关键组织，是人体实现运动机能的关键。以前交叉韧带为例，人体一天的运动中依赖于前交叉韧带数万次弯曲。在往复运动中，韧带一直保持受力状态或拉伸状态，运动损伤数见不鲜。随着全面健身运动的开展和国民对运动重视程度的提升，韧带相关的运动损伤也在持续上升。韧带断裂后，重建手术是最佳选择。据统计，每年每1250人中即有一人需要接受前交叉韧带重建手术。重建术的移植物有自体肌腱、异体肌腱和人工韧带三种选择。但使用自体肌腱会对供区带来损伤，且切取后不可再生，来源受限，同时延长了手术时间；使用异体肌腱同样来源受限，需更长的康复期，且有传播疾病及引起免疫排斥反应的风险。自体和异体肌腱还要经历移植细胞坏死和自体细胞长入和胶原重塑等漫长“韧带化”过程。与自体和异体肌腱移植物相比，人工韧带不会造成供区损伤、传染疾病且来源充足，移植后力学强度不会明显下降。且使用人工韧带的患者重返运动时间短。因此，人工韧带得到了越来越多的重视。
[0003]目前临床应用最为广泛的人工韧带是由法国学者JP Laboureau设计研发的LARS人工韧带（Ligament Advanced Reinforcement System），其主要材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。LARS韧带可以满足韧带的力学要求，但是在长久使用过程中，因为缺乏生物活性，无法诱导自体组织生长，实现与周围骨组织的整合。相反，LARS韧带在长时间反复运动中，由于与周围骨组织的磨损，会导致骨道逐渐扩大乃至韧带脱落。统计表明，超过30%的患者需要在手术后接受修正手术，约78%的植入韧带在重建手术15年后无法继续实现韧带功能。如何在实现韧带力学功能的同时，进一步有效提升其与周围组织的整合，实现类天然韧带-骨界面的植入韧带-骨界面，是一个亟待解决而又困难重重的研究课题。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在满足目前医用植入韧带力学要求的同时，解决目前植入韧带面临的骨组织磨损，自体组织再生困难，生物整合性差等问题，提供一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。
[0005]本专利技术通过气相沉积方法获得高度取向的碳纳米管材料，干法纺丝获得一级螺旋碳纳米管纤维；然后通过一股或多股一级纤维加捻构筑获得二级螺旋纤维；最后将一股或多股二级纤维加捻构筑，应力释放，获得三级双螺旋结构纤维。该纤维力学性能优异，耐疲劳性强，可以满足人工韧带的力学要求，且具有与天然韧带类似的纳米级取向孔道和微米级孔道可以有效促进自体组织再生和骨组织整合。
[0006]本专利技术提供的基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料的制备方法，具体步骤如下：
（1）一级螺旋取向碳纳米管纤维的制备；采用气相沉积与干法纺丝方法，有两种不同合成途径：一是通过化学气相沉积法合成碳纳米管阵列，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；二是通过浮动催化气相沉积法连续制备碳纳米管窄带，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米管窄带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；（2）具有螺旋结构的二级纤维的制备；将一股或多股一级纤维平行排列，一端固定，另一端与电动马达连接，通过电动马达匀速旋转，得到多级加捻的具有螺旋结构的二级纤维；（3）具有双螺旋结构的三级碳纳米管纤维的制备；将一股或多股二级纤维，保持两端应力固定，进行平行排列，以中间位置为对称点，将纤维折叠至原有两固定端重叠，保持原固定端稳定，中间位置应力释放得到具有双螺旋结构的三级碳纳米管纤维。
[0007]制备的三级碳纳米管纤维，即可以作为韧带植入替代材料。
[0008]本专利技术步骤（1）中，得到一种可控取向螺旋碳纳米管纤维，该纤维中碳纳米管高度有序排列，其纤维螺旋角为0-60度，优选20-60度；纤维直径为10-150
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m。其螺旋角、纤维直径可以通过电机转速、碳纳米管带宽度与加捻时间进行调控；其中，所述纤维类型可以为天然纤维、聚合物纤维或碳纳米管纤维中的一种。
[0009]本专利技术步骤（2）中，得到一种具有螺旋结构的二级纤维，该纤维具有有序可控螺旋结构，其中一级纤维数目为1-100，优选一级纤维数目为50-100；二级纤维直径为10-5000
µ
m；纤维螺旋角为0-60度，优选为20-60度；其螺旋角、纤维直径可以通过电机转速、一级纤维直径、一级纤维股数及加捻时间进行调控。
[0010]本专利技术步骤（3）中，得到一种具有双螺旋结构的三级纤维，其中二级纤维数目为1-100，优选二级纤维数目为50-100；螺旋结构直径为20-10000
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m，螺距大于10
µ
m（一般为10
µ
m-30
µ
m）；其螺旋结构直径、螺距可以通过电极转速、二级纤维直径、二级纤维股数及加捻时间进行调控。
[0011]本专利技术方法制备纤维，其力学性能优异，拉伸模量可达1.4-4GPa，拉伸断裂伸长率为10-30%，在反复弯曲1000000次后，力学性能亦可有效维持，可以有效满足韧带的力学要求。其密度为0.3-0.9g/cm3，并具有大量与自体韧带结构类似的纳米级和微米级取向孔道。所以该纤维可以作为韧带植入材料，用于鼠、兔、猫、狗、羊、猪、人等动物体内。
[0012]本专利技术的积极进步效果在于：（1）纤维在制备和组装过程中引入了与自体韧带类似的有序纳米级和微米级孔道，有效地促进了自体组织再生及骨组织整合；（2）该纤维可以通过控制一级纤维和二级纤维股数及加捻条件，实现对纤维直径、螺旋角度、螺距的简单高效调节，以适用于不同动物和不同应用场景的需要；（3）纤维在制备过程中可避免引入其他生长因子、细胞等生物活性物质，转而选取结构性策略实现生物整合，其制备过程简易，易于临床应用，可拓展至其他植入材料的结构设计。
附图说明
[0013]图1为一级螺旋取向碳纳米管的制备照片和扫描电镜图。其中，a为取向碳纳米管
带从可纺的碳纳米管阵列中拉出的照片，b 为一级螺旋取向碳纳米管纤维制备过程的照片，c为扫描电镜图，d为高倍数下碳纳米管高度取向排列显示。
[0014]图2为一级螺旋取向碳纳米管纤维的力学性能测试图。其中，a为一根一级纤维的拉伸断裂曲线；b为1000000次弯曲过程中的力学性能变化。
[0015]图3为三级碳纳米管纤维扫描电镜图，其中，a为扫描电镜图，b为高倍数下微米级孔道显示。
[0016]图4a 为多级纤维通过前交叉韧带重建手术植入及固定示意图。图4b为多级碳纳米管纤维作为替代韧带植入新西兰兔模型。
[0017]图5为多级碳纳米管纤维作为替代韧带植入新西兰兔0周、4周与13周后，Micro-CT三维重构图，骨道直径随时间逐渐缩小。
[0018]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）一级螺旋取向碳纳米管纤维的制备；采用气相沉积与干法纺丝方法，有两种不同合成途径：一是通过化学气相沉积法合成碳纳米管阵列，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；二是通过浮动催化气相沉积法连续制备碳纳米管窄带，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米窄带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；（2）具有螺旋结构的二级纤维的制备；将一股或多股一级纤维平行排列，一端固定，另一端与电动马达连接，通过电动马达匀速旋转，得到多级加捻的具有螺旋结构的二级纤维；（3）具有双螺旋结构的三级碳纳米管纤维的制备；将一股或多股二级纤维，保持两端应力固定，进行平行排列，以中间位置为对称点，将纤维折叠至原有两固定端重叠，保持原固定端稳定，中间位置应力释放得到具有双螺旋结构的三级碳纳米管纤维；该三级碳纳米管纤维即为可植入韧带替代材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述纤维类型为天然纤维、聚合物纤维或碳纳米管纤维中的一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中得到的可控取向螺旋碳纳米管纤维，纤维螺旋角为20-60度；纤维直径为10-150
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈培宁，解松林，徐一帆，赵天成，万方，彭慧胜，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：