功能材料器件期末报告复合材料骨钉

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1、功能材料器件期末报告复合材 料骨钉复合材料活性骨钉一、 刖S早期植入人体作固定用的骨钉大多使用金属材料所制，作为植入 替代损伤的骨骼和固定骨折患者的骨骼发展。有其缺点因为植入体内 材料必须有生物相容性，金属材料的骨钉在人体内会有腐蚀的现象, 进而影响周围组织，同时也有二次手术取出的问题。为了克服金属材料骨钉的缺点，开始研究可被人体所吸收的骨钉 材料，具有降解性的高分子材料，可自行降解并经由体内之代谢作用, 将降解后之分子排到体外，其优点省去手术后二次处理的麻烦，或者 当药物用剩后须再施以手术将剩下之高分子基材取出。生医高分子选 择必须考虑其力学性质与应用时所需降解时间的长短。理想的生物可 降解

2、性高分子必须有不会引发免疫或毒性反应、在达到目的后，可以 被人体代谢不会残留、方便加工成型、方便被消毒与储存时间长不易 变质的性质。二、骨钉的材料以及缺陷医用骨钉的主要种类：当下金属材料、陶瓷材料两大类在医用骨钉领域占重要地位，此 外生物可降解塑料也占有一席之地。金属材料和陶瓷材料是国内外较早将其作为人体硬组织修复和 植入的一类材料。它具有较好的综合力学性能和优良的加工性能。 1.金属骨钉材料优缺点早期医用生物骨钉使用钛合金做为替代人工骨骼关节的材料,其 材料的耐磨耗性与耐疲劳的机械性能极佳，但其表层有腐蚀的问题。后来，专家发现在钛合金表面镀上一层拜基磷灰石，可有效防止 防止氧化去除细菌的感染

3、。2 .陶瓷骨钉材料优点以及缺陷陶瓷材料中拜基磷灰石（HAP陶瓷的性质与骨骼组织类似，并 且具备卓越的生物相容特性。但是HAPe末具有强化骨骼的作用与骨骼组织相容佳之特性，粉 末粒径约2-50 w 但粉末之颗 粒越大，骨骼吸收的效果 不佳为其缺 陷。3 .复合材料骨钉制作-生医陶瓷与可降解塑胶复材混合材料Liu 等人研究以HAP与聚酯塑胶（PHB）制作替代骨骼组织之复 材。测试HA哈量越高之机械性质越佳，HA嘀末的含量有着影响复 材的作用。骨钉主体材料为高分子塑料，如：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA聚醍醍酮（PEEK。PMMA寸脂是无毒环保的材料，可用于生产餐具， 卫生洁具等，具有良好的化学稳定性

4、、和耐候性。俗称有机玻璃，是 迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种。PEEK树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑 料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑 性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨不耐强硝酸、浓硫酸、 抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械和航空等科技。一、晶须增强骨水泥复合材料各性能晶须是一种新型复合材料补强增韧材料。羟基磷灰石HAP与生物磷灰石具有相同的组成与结构，是人体骨骼的重要组成部分 ，因 此HAP生物复合材料的合成成为当今的研究趋势之一HAP具有优良的生物相容性和生物活性， 可以与人体骨细胞直接形成 化学结合，并

5、且与其结合后强度高 、稳定性好。它作为植入材料可 引导新骨的生长，为新骨的形成提供生理支架作用，能与骨组织形 成直接的骨性结合。HAP勺晶须材料依靠桥接、裂纹偏转和拔出效 应来吸收能量，消除裂纹尖端集中的应力来增强生物材料的韧性， 所以将晶须状的HAP掺杂到复合材料中，能有效地改 善材料的机 械力学性能和生物活性，因而引起人们广泛注。在已报道的羟基 磷 灰石合成方法中。有固相反应法，水热合成法，溶胶一凝胶法及均相沉淀法。均相沉淀法与其他方法相比，最大的优点是能使 羟基释放与结晶同步，母液系过饱和度不变，保持在均相体系沉 淀，产物直接为晶态，无须烧结晶化，可以减少在烧结过程中难以 避免的团聚现象

6、。制备HAP晶须均采用化工原料，成本较高。以磷矿石为原料制备 HAP晶须已经有相关报道。磷矿是中国优势矿产之一，蕴藏量相当丰 富。云南是中国磷矿储备的大省。根据塑料的长期耐热性可以把其分为 4组，即长期耐热性在100( 以下的通用树脂；130700c之间的通用工程塑料；250730c之间的 特种工程塑料和250C以上的超耐热工程塑料(一般是指热固性聚酰如下表:树脂基体环氧热固性树脂双马来酰亚胺聚酰亚胺酚醛120固化180固化使用温度-5582-55105-60177-60250-5)5140-55120-60232短期达315-55177-55260树脂基体热塑性树脂聚醍醍酮聚苯硫醍聚醍碉聚碉

7、使用温度2502001801701.聚醍醍酮-羟基磷灰石复合材料:聚醍醍酮（DOlvetheretherketone, PEEK羽弹性模量与皮质骨的弹性模量接近.并且具有良好的生物相容性、放射线透过性，磁共振扫描不会产生伪影等优 点。多年来一直是骨科学专家 和材料学专家研究的重点。AbuBakarM湃9将PEEK-HAM合材料 植入 到动物 体 内， 早期通过对组织化学染色切片观察发现在PEEK- HA复合体孔隙中长入了成熟的骨组织.复合材料界面与骨界面紧密结合.动物体 内实验 证 明PEEK-HA具有良好的生物活性功 能虽然PEEK-HA具 有良好的生物相容性.但材料的力学 特性是否与骨的力

8、学特性相匹 配是应用到临床的首要因素在体外力学实验中发现.随着HA含量 的增加。PEEK-HA复合材料 的拉伸强度和疲劳时间均降低 不 同HA含量的PEE- HA复合材料的弹性模量、拉伸强度范围分别为 57GP/口 4959MPa虽然PEEHA复合材料与骨的力学性能接近.但强度还不能与骨的强度匹配.能否作为承受较大应力的骨科 植入物.还需更深入的实验研究。骨钉制作工艺制备LP-110型聚乳酸。制备LP-110型聚乳酸Poly(L-lactide),其 黍自度 0.81.49 (dl/g) , 分 子 量 65,000170,000Da ,其生医塑胶规格见表一所示。HAP羟基磷灰石(Hydrox

9、yapatite),其直径约1.21 pm、分子量约310.18Da具规格见表二。且HAP粉末SEM的微结构如图一所示，外观接近圆状颗 粒。本实验添加10wt%、20wt% 40wt%羟基磷灰石(HAP)于聚乳酸(PLA)基材，制备可被人体吸收之复 合材料。射出成型参数：以影响射出成型品质较明显的参数为主， 其中融胶温度(MeltTemperature )、射速、射压(AirPressure )、保压、冷却时间(Cooling Time)为实验重要控制参数。利用德制25吨高精密射出成型机(Arburg 220S, 25 tons),做为试片生产之用。射出成型纯 PLA、10wt% 20wt%

10、40wt%勺复材 生胚，由于PLA的流动性差，低射速与低射压使骨钉产生多处凹 陷未完全成型，且未添加HAP的骨钉成透明色其内部由于含水气导 致射出时产生水气的气泡，如图十一、图十二所示。改善骨钉凹陷的 方式即提高射出成型的射速与射压。由于 PLA材料经热温干燥会导 致材料内部变质，产生水泡无可避免。图十三为骨钉的三角状倒勾显 示图，其倒勾设计目的为希望当植入骨钉后能 降低骨钉松脱达到固 定的目的。图十四为10wt% 20wt% 40wt%复材骨钉成品图，其中骨 钉外观随着粉末逐渐的增加色泽由透明到深白。表、暴乱醒生瞽塑底提格表2 7空基磷灰石粉末规格M品名科LM10T名爵PohlL-ladid

11、e)化学式CHjjOM99.5%分子重Mw65 tOO(M 70,00001糠粒大小卜 3nmi融粘温度175-IMO 理培神排温度58 - 63 货名磷灰石(Hydioxyiipat)te)外貌自色粉末121pm分子赴310.18 Da化芈丸CagL度3J54g/cmJ结论:PLA/HAP生医复材利用射出成型技术成功装备出试片与补强骨 钉作用替代金属材的骨钉以作悬骨骼内之固定物，具添加圆球状之陶 瓷粉末含量最高达40wt%由SEMI察显示拜基磷灰石（HAP）粉末颗 粒虽均匀分散於聚乳酸（PLA）基材内但颗粒与空隙的大小不一致，影 响接触的面积，成悬 降低机械性质的主因，实验结果显示 40wt

12、%之复 材其硬度比其他含量高且脆，虽抗拉强度能力不佳但基本上其抗AT击 能力与磨耗性能仍不错。证实PLA各复材悬脆性材料当添加圆球状陶瓷粉末后有明显助於提升复材机械性质之能力。装备射出成型补强替 代之骨钉由於PLA复材之流动性差，随著陶瓷含量的增加其成型较难 完整，得提高射出速度与射压，已成功装备生医复材骨钉，具三点抗 弯强度也随著陶瓷含 量的增加而提高，但因40wt%骨钉材料性质呈现 易脆现象结果反而抗弯强 度下降，原则上实验证实射出成型骨钉之生 胚内添加适量的陶瓷粉末补强材仍有提升抗弯强 度之效果。五、复合材料活性骨钉前景展望骨生物活性材料是骨科市场中发展最快的部分， 也是竞争激烈的 部分

13、。医生和病人都认识到需要骨移植材料， 用于提供支撑，填补缝 隙，增强骨缺损的生物性修复等等。据分析，全球做自体移植连同同 种异体移植手术的病人每年大约有 220万。骨错位是经常发生的，有 许多原因导致植入手术的增加。骨骼退化是一个主要原因，包括骨关 节炎，风湿性关节炎。这些都是慢性病，包括关节发炎影响到周围的 韧带和腱。运动也影响到关节。因此需求总在增加。不只是因为老年 人口的增加，也由于年轻人中关节的损伤。需各种类型的移植物来治 疗肌肉骨骼疾病或残缺。这些植入物用于魏部、膝盖、脊椎、肩、肘、 手指和脚趾。这些植入物的价格通常是较高的。欧洲在未来几年中骨生物活性材料市场上具有最高增长率的是现代

14、骨形态生成蛋白和其它生物活性材料。 如生长因子、基因治疗和 干细胞。这些先进的创新产品的用途包括骨折固接，填充骨骼缺损和植入修补手术，这些只是举几个例子。预言干细胞治疗是发展最快的 门类，复合年增长率在未来5年中达53. 9%。据Espicom市场调研 公司的报告，2007年全球骨生物活性材料市场估计在 42亿美元，年增长率为17%。在国内，现在随着新的私人齿科诊所的开业，越来越多的齿科 医生提供牙植入治疗，中国的病人将有更多的机会做牙植入手术。 现 在全中国私人经营的诊所超过 5,000家，牙植入业的成功将继续吸引 国内和国外的投资。三、心得体会在本组人员成功组队之后，我们很快就确立了本次课题的大方 向，生物功能材料。在经过一番讨论后，考虑到本组四人有三人均在 院生物材料实验室学习关于晶须增强方面的知识， 所以最终确定调研 fu7he材料骨钉制作。接下来的工作主要集中在收集文献和资料整合上。本组每个人都具备熟练而准确地在校图书馆文库里检索所要文献的技能。因此这一部分工作进行的很顺利。我们找到 HA福须制作工艺，PMM席水泥 制作，PEEKt水泥制作等相关文献。在得到一大堆没有详细分类的 资料后，我们有进一步细化分工，制作 PPT也是非常高效。做完之后，本组成员对于骨水泥，骨钉，生物功能材料的应用及 前景有了更好的掌握。