一种预应力强化骨水泥的制备方法技术

本发明专利技术公开一种预应力强化骨水泥的制备方法，具体为：纤维表面进行粗糙化处理后制备具有生物活性的过渡层，后将其定向排列在模具中，向模具中的纤维拉应力，得到预应力纤维阵列；将骨水泥固相与液相混合后注入到模具中，经固化和养护后将模具外的纤维剪断即去除预应力，脱模得到预应力纤维强化骨水泥。本发明专利技术制备的预应力强化骨水泥，通过预先施加在定向排列纤维上的拉应力，能够在最终得到的构件内部产生压应力，进而可承受更大的载荷，延迟裂纹的出现和扩展，整体力学性能提升；另外，由于不同应用部位的载荷环境不同，可以通过改变纤维的类型、直径、间距和排列方式调整预应力的大小和方向，使得应用部位更广泛。使得应用部位更广泛。使得应用部位更广泛。

【技术实现步骤摘要】
一种预应力强化骨水泥的制备方法


[0001]本专利技术属于生物材料制备
，具体涉及一种预应力强化骨水泥的制备方法。

技术介绍

[0002]由于人口老龄化的趋势显著，肿瘤、创伤以及骨髓炎等原因造成骨缺损的疾病日益增加，对骨缺损修复材料的需求逐步加大。随着生物材料的发展，人工骨修复材料备受关注，骨水泥是修复骨缺损的成熟材料，可注射性使其可以在不规则骨缺损处任意填充，室温下易固化成型且具有良好的生物相容性和生物活性。但骨水泥内部缺乏连通大孔隙，同时较低的力学性能限制了它们在承载部位的使用。
[0003]目前提高骨水泥力学性能的方式是在其内部添加颗粒，微球，晶须，纤维等物质，其中纤维强化是最常用的方法。纤维的加入可以阻碍骨水泥内部微裂纹的扩展和宏观裂纹的发生和扩展，当纤维在试样中乱序分布时纤维阻断径向方向裂纹扩展的能力不足，整体增强效果下降。同时在纤维使用过程中要注意弥补骨水泥基体与纤维之间应变的差距，使纤维强度得到充分利用。因此，需提供一种定向排列纤维强化骨水泥，以改善其力学性能，从而在承重部位进行替换。
[0004]中国专利《用于3D打印的纤维增韧磷酸钙基骨修复材料的制备方法》(申请号：CN201910154087.0，公开号：CN109999220A，公告日：2019.07.12)公开一种用于3D打印的纤维增韧磷酸钙基骨修复材料的制备方法，该方法制得的磷酸钙基骨修复材料，打印性好、力学性能强。但是使用的纤维仅是聚合物纤维，且纤维在液相中分散的间距大小和方向无法精确控制，影响强化效果。
[0005]中国专利《含有表面改性氧化锆骨水泥增强力学性能的制备方法》(申请号CN202210305825.9，公开号：CN114632186A，公告日2022.06.17)公开了一种含有表面改性氧化锆骨水泥增强骨水泥力学性能的方法，以表面改性微米级氧化锆作为第二相材料，继而提高骨水泥力学性能。但对氧化锆颗粒的改性过程比较繁琐，并且氧化锆颗粒在骨水泥内部的随机分布和团聚会导致应力集中，进而使整体力学性能降低。
[0006]刘晶(刘晶.磷酸三钙陶瓷/镁粉复合材料的制备与性能研究[D].沈阳建筑大学,2019.)通过在骨水泥中添加镁粉进行强化，由于镁的密度与人体骨组织的密度类似，且具有较好的比强度和比刚度，力学性能得到提升。但镁的生物降解性比较好，降解后会留下孔隙，且镁粉在骨水泥中的分布位置具有随机性，进而使得力学性能有所下降。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种预应力强化骨水泥的制备方法，解决了现有技术中骨水泥力学性能差的问题。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是，一种预应力强化骨水泥的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0009]步骤1，对纤维表面进行预处理；
[0010]将纤维表面进行粗糙化处理，之后再纤维表面改性生成具有生物活性的过渡层；
[0011]步骤2，构建预应力纤维阵列；
[0012]将步骤1得到的纤维定向排列在长方体型的聚四氟乙烯模具中，纤维定向排列时两端均伸出模具外，采用卧式拉力机向模具中的纤维施加小于其弹性极限的拉应力，得到预应力纤维阵列；
[0013]步骤3，注入混料得到预构件
[0014]将骨水泥固相与液相进行混合后注入到步骤2中的含有预应力纤维阵列的模具中固化，养护，得到预应力纤维复合骨水泥的预构件；
[0015]步骤4，去除预应力后脱模
[0016]将步骤3中聚四氟乙烯模具外的纤维剪断去除预应力，随后进行脱模，得到预应力纤维强化骨水泥。
[0017]本专利技术的特点还在于，
[0018]步骤1中，粗糙化处理为酸化处理或者碱化处理；纤维为金属纤维、聚合物纤维、天然纤维、玻璃纤维中的任意一种；过渡层为羟基磷灰石涂层、磷酸钙涂层、阳极氧化涂层中任意一种。
[0019]步骤2中，纤维的直径为5μm～45μm，每两个纤维之间的间距为0.5mm～1mm。
[0020]步骤2中，纤维排列方式为一维平行式、二维垂直式、三维立体式中的任意一种。
[0021]一维平行式排列为各纤维以固定距离沿X轴方向平行排列，二维垂直式排列为在一维排列的基础上，另外一组纤维以固定距离沿Y轴方向平行排列，三维立体式排列为在二维排列的基础上，加入一组以固定距离沿Z轴方向平行排列纤维。
[0022]步骤3中，固化时间为6h～10h，养护时间为1～7天。
[0023]本专利技术的有益效果是：通过预先施加在定向排列纤维上的拉应力，在最终固化并养护后的骨水泥内部通过弹性收缩的纤维产生预压应力。不仅可以充分利用高强度的纤维材料，弥补骨水泥基质与纤维之间应变的差距，而且当整体承受外加载荷作用时，首先抵消整体中已有的预压应力，然后随外加载荷继续增加，才能使基质中出现裂纹，因而延迟了裂纹的出现和扩展，整体力学性能提升。另外，由于不同应用部位的载荷环境不同，可以通过改变纤维的类型，直径和排列方式调整预应力的大小和方向，应用部位更广泛。
附图说明
[0024]图1为本专利技术预应力纤维阵列的一维平行式排列示意图；
[0025]图2为本专利技术预应力纤维阵列的二维垂直式排列示意图；
[0026]图3为本专利技术预应力纤维阵列的三维立体式排列示意图；
[0027]图4为本专利技术预应力强化骨水泥的抗压强度的不同检测方向示意图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图与具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0029]本专利技术一种预应力强化骨水泥的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0030]步骤1，对纤维表面进行预处理；
[0031]具体为：将纤维表面进行粗糙化处理，之后再纤维表面改性生成具有生物活性的过渡层；
[0032]粗糙化处理为酸化处理或者碱化处理；
[0033]纤维为金属纤维、聚合物纤维、天然纤维、玻璃纤维中的任意一种；
[0034]过渡层为羟基磷灰石涂层、磷酸钙涂层、阳极氧化涂层中任意一种；
[0035]当过渡层为羟基磷灰石涂层时，采用仿生矿化法改性得到具有生物活性的过渡层；
[0036]当过渡层为磷酸钙涂层时，采用喷涂法改性得到具有生物活性的过渡层；
[0037]当过渡层为阳极氧化涂层时，采用电化学法改性得到具有生物活性的过渡层；
[0038]步骤2，构建预应力纤维阵列；
[0039]将步骤1得到的纤维定向排列在长方体型的聚四氟乙烯模具中，为便于施加拉应力，纤维定向排列时两端均伸出模具外，采用卧式拉力机向模具中的纤维施加小于其弹性极限的拉应力，得到预应力纤维阵列；
[0040]纤维的直径为5μm～45μm，每两个纤维之间的间距为0.5mm～1mm
[0041]纤维排列方式为一维平行式、二维垂直式、三维立体式中的任意一种；
[0042]一维平行式排列为各纤维以固定距离沿X轴方向平行排列，如图1所示；二维垂直式排列为在一维排列的基础上，另外一组纤维以固定距离沿Y轴方向平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种预应力强化骨水泥的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，对纤维表面进行预处理；将纤维表面进行粗糙化处理，之后再纤维表面改性生成具有生物活性的过渡层；步骤2，构建预应力纤维阵列；将步骤1得到的纤维定向排列在长方体型的聚四氟乙烯模具中，纤维定向排列时两端均伸出模具外，采用卧式拉力机向模具中的纤维施加小于其弹性极限的拉应力，得到预应力纤维阵列；步骤3，注入混料得到预构件将骨水泥固相与液相进行混合后注入到步骤2中的含有预应力纤维阵列的模具中固化，养护，得到预应力纤维复合骨水泥的预构件；步骤4，去除预应力后脱模将步骤3中聚四氟乙烯模具外的纤维剪断去除预应力，随后进行脱模，得到预应力纤维强化骨水泥。2.根据权利要求1所述的一种预应力强化骨水泥的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，粗糙化处理为酸化处理或者碱化处理；纤维为金属纤维、聚合物纤维、天然纤维、玻璃纤维中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤玉斐，梁倩，赵康，吴子祥，陈磊，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：