[发明专利]一种碳纤维复合材料人工骨及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碳纤维复合材料人工骨及其制备方法，人工骨垂直于长度方向的截面为U形，人工骨由连续碳纤维编织物复合材料层和碳纤维非织造布复合材料层叠加构成；连续碳纤维编织物复合材料层和碳纤维非织造布复合材料层的碳纤维间均填充有碳基体。该复合材料具有质量轻、生物相容性好、化学稳定性好、力学性能与人体骨相近、疲劳性好、可设计性强、无伪影等特点，且表层孔隙和表面稳定粘附有羟基磷灰石，以提高复合材料的生物活性，促进骨生长和诱导骨增殖。

技术领域

本发明涉及一种人工骨材料，具体涉及一种碳纤维增强碳复合材料人工骨及制备方法，属于生物医用材料领域。

背景技术

传统人工骨主要为金属材料，其存在许多临床应用问题，如因机械性能不匹配出现的应力遮挡造成的骨质疏松、断裂和排异反应等术后并发症，腐蚀溶解的离子有毒性，金属伪影不利于术后诊断，必要的二次手术等。接骨材料的非金属化已成为发展趋势，而碳材料具有很好的生物相容性。其中碳纤维、热解碳、碳纳米管及其复合物等在生物医用的多方面得到应用。碳纤维复合材料是以碳纤维及其织物为增强体组成的一种碳基材料，相对其他材料具有质量轻、可设计性强、无伪影等特点，且生物相容性、化学稳定性、力学性能性均得到一定提高。但是现有技术中设计的碳纤维增强碳复合材料接骨材料存在一些明显的技术问题：如中国专利(CN108171798A)公开的碳陶复合材料接骨板中短切碳纤维以均匀分布或非均匀分布的方式分布于结构架内且表面包覆有树脂碳，短碳纤维、非连续长纤维，力学性能欠佳。中国专利(CN 108577957 A)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，其布网叠层针刺连续纤维损伤大。另外，现有技术中的碳纤维增强碳复合材料接骨材料表层羟基磷灰石与基体连接强度弱，且直接接触因热膨胀系数差异大，导致容易开裂或分层脱落。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种以碳纤维及碳纤维织物为增强相的碳纤维复合材料人工骨，其具有质量轻、生物相容性好、化学稳定性好、力学性能与人体骨相近、疲劳性好、可设计性强、无伪影等特点，且表层孔隙和表面稳定粘附有羟基磷灰石，可以提高复合材料生物活性，促进骨生长和诱导骨增殖。

本发明的另一个目的是在于提供一种步骤简单、原料易得的制备碳纤维复合材料人工骨的方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料人工骨，人工骨垂直于长度方向的截面为U形，所述人工骨由连续碳纤维编织物复合材料层和碳纤维非织造布复合材料层通过铆接叠加构成；连续碳纤维编织物复合材料层和碳纤维非织造布复合材料层的碳纤维间均填充有碳基体。

本发明的碳纤维复合材料中连续碳纤维编织物由长碳纤维构成，碳纤维含量高，主要提供强度支持，而碳纤维非织造布由短纤维构成，将其设置在表层，利用其本身孔隙率高的特点，可为羟基磷灰石附着提供大量表面，同时利用其短纤维刺入连续碳纤维编织物内部，起到铆接作用，且有利于羟基磷灰石渗入碳纤维内部及组织细胞生长至内部，提高与组织的结合能力。

本发明的碳纤维复合材料人工骨将垂直于长度方向的截面为U形，一方面可以方便与自体骨进行对接，避免错位，提高连接强度，还可提高人工骨结构的刚性。

优选的方案，所述连续碳纤维编织物复合材料层包含由碳纤维束编织的布、带或条。

优选的方案，所述碳纤维非织造布复合材料层包含面密度为10g/m²～60g/m²碳纤维非织造布。

优选的方案，所述碳纤维束捻度为10捻/m～500捻/m，单束碳纤维包含1k、3k、6k、12k或24k碳纤维(1k表示1千根碳纤维)。将碳纤维束经过加捻，然后编织成布、带或条等连续编织体结构可以大幅度提高刚性，提升弯曲模量。

优选的方案，所述碳纤维复合材料人工骨的孔隙内及表面粘附有羟基磷灰石。通过引入羟基磷灰石可以引导组织细胞生长，提高生物相容性与组织的结合能力。