一种碳基复合材料人工肋骨及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳基复合材料人工肋骨及其制备方法。该方法是将碳纤维束分别编织成碳纤维编织条和碳纤维编织管，分别依次通过烘烤定形、介质超声处理、沉积碳和/或碳化硅基体、沉积PyC涂层和/或沉积DLC或F‑DLC涂层，最后套装组合得到碳基复合材料人工肋骨。该人工肋骨具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好以及生物相容性好等特点，用于移植或修复后，其长度可以自由调节，能有效避免移植或修复过程中对肋骨截取产生破损端面带来黑肤效应，且其与人体组织不发生反应，能承受住体内酸碱环境，能与周围的骨组织进行紧密结合以促进骨的生长，具有良好的韧性，避免突发断裂带来的重大风险。

【技术实现步骤摘要】
一种碳基复合材料人工肋骨及其制备方法
本专利技术涉及一种人工肋骨，具体涉及一种碳基复合材料人工肋骨，还涉及其制备方法，属于医疗生物材料

技术介绍
骨缺损一直是个困扰医学领域的难题。胸壁骨性缺损常见于肿瘤、感染、放射损伤等治疗干预后，以及创伤因素直接损害等。临床上，对缺损面积超过6cm×6cm的大范围胸壁缺损，若合并相邻的3根以上肋骨受损，以及合并脊柱损伤等情况时，必须行胸壁骨性重建手术以到达以下目的：1)完整保护胸腔及上腹部脏器(比如防止肩胛骨刺入胸腔尤其是第5～6肋骨切除后)；2)保证完整的呼吸功能(动态的呼吸运动，防止肺疝和反常呼吸)；3)承重和支撑上肢，保证肩关节活动；4)重塑胸壁外形，最大程度保证胸壁结构的稳定性和美学效果，便于患者恢复自信。人工骨骨移植是胸壁刚性重建的常用手段，从1950年Beardsley首先使用钽板修补胸壁缺损，到20世纪80年代将骨水泥聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)用于胸壁重建术中，以及随后的不锈钢板、钛合金等的应用。至今未出现一款适用于胸壁肋骨重建的有效产品。现有的替代产品的临床问题如下：1)术中手工制作的PMMA植入物不仅因表面平整度不高，边缘较为毛糙，术后出现软组织血肿和感染的风险较高，而且其冲击韧性差，当受外力作用时容易发生碎裂、折断，有刺破胸腔重要器官的风险，同时存在一定致癌风险。2)不锈钢等金属制品存在术后易移位、组织相容性差及影响后续磁共振成像(MRI)等检查弊端，其使用频率逐渐降低。3)钛合金不管是通用的条状、板状和网状的还是组件系统(如Matrix-RIB系统和STRATOS系统)也存在以下问题：①弹性模量较高导致限制性通气功能障碍。②力学强度和正常肋骨存在差异，受到外力撞击时导致进一步损伤。研究表明，术后1年内存在较高的植入物相关并发症(如断裂和移位)发生率(约44％)，其中植入物断裂占37％，移位占7％。③术后影像学检查纯在强烈的伪影，影响对后续疾病的诊断和治疗。④组织长入性不佳，术后感染的发生率在5％左右。因此，市场上并没有一款产品能够满足胸壁骨性重建材料应同时具备的如下特点：1)足够的强度，能保证胸廓的稳定，保护胸内重要脏器和组织，防止反常呼吸；2)可植入性，允许纤维组织附壁生长，性质稳定，不易发生感染，不致癌；3)可塑性，便于贴合胸廓外形；4)具有射线可穿透性，便于术后复查和随访；5)弹性模量接近自然皮质骨，避免造成限制性肺通气功能障碍。碳材料具有很好的生物相容性，其中碳纤维、热解碳、碳纳米管及其复合材料等在心脏瓣膜、骨骼、生长支架、肿瘤药物、生物传感器等方面得到应用。特别是以碳材料为基体、碳纤维及其织物等为增强体的碳纤维复合材料具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好、可设计性强、具有一定的塑性等特点，被视为人工骨的理想材料，受到广大研究工作者的追棒。有研究表明该材料各项生物学性能指标符合国标生物安全性评价的要求，可以应用于临床医学。相比金属、高分子和陶瓷等植入材料而言，其主要优点为：1)与人体组织不发生反应，能承受住体内酸碱环境的微妙变化而不变性；2)能促进血小板的粘附，使机体具有一定的抗凝血特性；3)利于与周围的骨组织进行紧密结合，促进骨的生长；4)弹性模量在1GPa～40GPa之间，与人体骨的弹性模量(1GPa～30GPa)十分接近，可有效规避由假体应力遮挡而引起的骨吸收等并发症；5)碳纤维增强体具有良好的韧性，使断裂行为呈一定的塑性，避免材料突发断裂带来的重大风险；6)由于碳元素的X光可透过性，使得后期检查无伪影，有利于术后康复情况诊断。此外，由于在切除累及骨的肿瘤的手术过程中，通常需要根据具体情况进行现场判断切除长度，为了实现良好的匹配性，会对重建用植入物进行临时的修剪，植入物的破损将导致术后康复效果变差。如果能够采用调节性长度的植入物，将可简化手术方案，方便临床医生操作，提高术后康复质量。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种由碳或碳化硅材料基体和碳纤维织物增强体复合构成的碳基复合材料人工肋骨，其具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好以及生物相容性好等特点，该碳基复合材料人工肋骨用于移植或修复，其长度可以自由调节，能有效避免移植或修复过程中对肋骨截取产生破损端面带来黑肤效应，且该人工肋骨与人体组织不发生反应，可以承受住体内酸碱环境，且能与周围的骨组织进行紧密结合，促进骨的生长，其弹性模量与人体骨十分接近，可有效规避由假体应力遮挡而引起的骨吸收等并发症，同时具有良好的韧性，避免材料突发断裂带来的重大风险，由于碳元素的X光可透过性，使得后期检查无伪影，有利于术后康复情况诊断。本专利技术的另一个目的是在于提供一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，该方法操作简单、成本低，易于大规模生产。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，包括以下步骤：a)将至少一束碳纤维束加捻成碳纤维绳，再将碳纤维绳编织成碳纤维编织条；所述碳纤维束中碳纤维表面含有树脂；将碳纤维编织条通过模具辅助烘烤定形，在烘烤过程中对碳纤维编织条沿轴向施加拉力或者沿平面垂直施加压力或者同时沿轴向施加拉力和沿平面垂直施加压力，并在碳纤维编织条表面设置预留孔，得到方条状碳纤维预制体；b)将方条状碳纤维预制体通过介质超声处理；c)将介质超声处理后的方条状碳纤维预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料方条状坯体；d)在碳纤维复合材料方条状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层(热解碳涂层)和/或通过物理气相沉积DLC(类金刚石涂层)或F-DLC涂层(含氟类金刚石涂层)，得到碳纤维复合材料人工肋骨芯体；e)将碳纤维束编织成碳纤维编织管，在碳纤维编织管的管腔内部填充热塑性高分子材料颗粒，并利用模具辅助温压成形，在模具辅助温压成形过程中对碳纤维编织管表面设置预留孔，再将填充在碳纤维编织管腔内的热塑性高分子材料取出，得到碳纤维编织管预制体；f)将碳纤维编织管预制体通过介质超声处理；g)将介质超声处理后的碳纤维编织管预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料管状坯体；h)在碳纤维复合材料管状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层和/或通过物理气相沉积DLC或F-DLC涂层，得到碳纤维复合材料人工肋骨管套；i)将碳纤维复合材料人工肋骨芯体一端插入碳纤维复合材料人工肋骨管套内部，即得。作为一个优选的方案，步骤a)中，所述碳纤维束为1k、3k、6k、12k或24k碳纤维，其中，1k表示一千根碳纤维。碳纤维束由复数根碳纤维组成，常见的为1k、3k、6k、12k或24k等规格的碳纤维束。作为一个优选的方案，步骤a)中，所述碳纤维绳的直径为0.1mm～5mm。碳纤维绳的直径可以根据实际需要进行调节。作为一个优选的方案，步骤a)中，所述碳纤维表面的树脂质量为碳纤维质量的0.5％～2％。这些树脂是碳纤维表面常见上浆剂，具体如环氧树脂、酚醛树脂、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：/na)将至少一束碳纤维束加捻成碳纤维绳，再将碳纤维绳编织成碳纤维编织条；所述碳纤维束中碳纤维表面含有树脂；将碳纤维编织条通过模具辅助烘烤定形，在烘烤过程中对碳纤维编织条沿轴向施加拉力或者沿平面垂直施加压力或者同时沿轴向施加拉力和沿平面垂直施加压力，并在碳纤维编织条表面设置预留孔，得到方条状碳纤维预制体；/nb)将方条状碳纤维预制体通过介质超声处理；/nc)将介质超声处理后的方条状碳纤维预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料方条状坯体；/nd)在碳纤维复合材料方条状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层和/或通过物理气相沉积DLC或F-DLC涂层，得到碳纤维复合材料人工肋骨芯体；/ne)将碳纤维束编织成碳纤维编织管，在碳纤维编织管的管腔内部填充热塑性高分子材料颗粒，并利用模具辅助温压成形，在模具辅助温压成形过程中对碳纤维编织管表面设置预留孔，再将填充在碳纤维编织管腔内的热塑性高分子材料取出，得到碳纤维编织管预制体；/nf)将碳纤维编织管预制体通过介质超声处理；/ng)将介质超声处理后的碳纤维编织管预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料管状坯体；/nh)在碳纤维复合材料管状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层和/或通过物理气相沉积DLC或F-DLC涂层，得到碳纤维复合材料人工肋骨管套；/ni)将碳纤维复合材料人工肋骨芯体一端插入碳纤维复合材料人工肋骨管套内部，即得。/n...

【技术特征摘要】
1.一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)将至少一束碳纤维束加捻成碳纤维绳，再将碳纤维绳编织成碳纤维编织条；所述碳纤维束中碳纤维表面含有树脂；将碳纤维编织条通过模具辅助烘烤定形，在烘烤过程中对碳纤维编织条沿轴向施加拉力或者沿平面垂直施加压力或者同时沿轴向施加拉力和沿平面垂直施加压力，并在碳纤维编织条表面设置预留孔，得到方条状碳纤维预制体；
b)将方条状碳纤维预制体通过介质超声处理；
c)将介质超声处理后的方条状碳纤维预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料方条状坯体；
d)在碳纤维复合材料方条状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层和/或通过物理气相沉积DLC或F-DLC涂层，得到碳纤维复合材料人工肋骨芯体；
e)将碳纤维束编织成碳纤维编织管，在碳纤维编织管的管腔内部填充热塑性高分子材料颗粒，并利用模具辅助温压成形，在模具辅助温压成形过程中对碳纤维编织管表面设置预留孔，再将填充在碳纤维编织管腔内的热塑性高分子材料取出，得到碳纤维编织管预制体；
f)将碳纤维编织管预制体通过介质超声处理；
g)将介质超声处理后的碳纤维编织管预制体固定在仿形模片上，通过化学气相沉积碳和/或碳化硅基体，得到碳纤维复合材料管状坯体；
h)在碳纤维复合材料管状坯体表面通过化学气相沉积PyC涂层和/或通过物理气相沉积DLC或F-DLC涂层，得到碳纤维复合材料人工肋骨管套；
i)将碳纤维复合材料人工肋骨芯体一端插入碳纤维复合材料人工肋骨管套内部，即得。


2.根据权利要求1所述的一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：步骤a)中，所述碳纤维束为1k、3k、6k、12k或24k碳纤维，其中，1k表示一千根碳纤维；
步骤a)中，所述碳纤维绳的直径为0.1mm～5mm；
步骤a)中，所述碳纤维表面的树脂质量为碳纤维质量的0.5％～2％；
步骤a)中，所述碳纤维编织条的宽度为6mm～20mm，厚度为2mm～6mm；
步骤a)中，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。


3.根据权利要求1所述的一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：
步骤a)中，在烘烤过程中，沿轴向施加拉力的大小为20N/cm2～200N/cm2；
步骤a)中，在烘烤过程中，沿平面垂直施加压力的大小为1N/cm2～10N/cm2。


4.根据权利要求1所述的一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：
步骤a)中，方条状碳纤维预制体表面的预留孔沿方条状碳纤维预制体表面轴向规律排布，孔间隔5mm～20mm，孔径大小为0.5mm～3mm；
步骤e)中，碳纤维编织管预制体表面的预留孔沿碳纤维编织管预制体表面轴向规律排布，孔间隔5mm～20mm，孔径大小为0.5mm～3mm。


5.根据权利要求1所述的一种碳基复合材料人工肋骨的制备方法，其特征在于：
步骤e...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭周建，张翔，刘波，王斌，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