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炭纤维增强生物医学复合材料
发布时间: 2020/7/14
  炭纤维具有密度低、比强度高、比模量高、导电性好、比表面积高以及生物相容性良好等特点,在生物医学领域中有广泛的应用前景。炭纤维可使人工器官、人工骨、人工齿及人工肌腱在强度、硬度和韧性等多方面的性能显著提高。活性炭纤维布具有大的毛细管活性和比表面积,其次炭纤维布本身无毒,也不会产生色素,所以可用于医疗的吸附材料,能有效地吸收微生物和化学物质,可用于治疗伤口。此外,炭纤维布的吸湿性能有效地防止毒素、细菌和微生物等渗入淋巴和血液,大大缩短治愈时间。炭纤维网具有强度高、组织相容性好和不易老化等优点,还能诱发产生高质量的新生组织并沿纤维束生长,炭纤维网常常用于腹壁缺损的修补。炭纤维在修复韧带和肌腱时,既可以提供必要的强度,也可以作为生物源供宿主组织转化为新生的韧带和肌腱,使之可以牢固地愈合。例如,由于炭纤维本身质地脆弱,耐剪切能力差,单束假体不能承受多轴应力,伸展性极小,临床上已有研究聚乳酸涂层编织炭纤维人工韧带,力学性能测试表明其延展性有所增加,初步应用于临床,替代前交叉韧带,修复肱三头肌腱,取得满意效果。目前具有生物医学功能的炭纤维增强复合材料主要包括炭纤维增强炭基、炭纤维增强树脂基和炭纤维增强其他基体复合材料。

  1、炭纤维增强树脂基复合材料
  (1)炭纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯复合材料
  聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)自诞生以来,一直作为医用材料使用,如用于骨缺损填充修复的骨水泥以及牙体修复的复合树脂等。近年来由于PMMA制备工艺简单、生物相容性优良且成本低廉,被临床广泛应用,是制作义齿基托的主要材料。然而由于PMMA的力学性能较差,义齿基托折断是困扰口腔科大夫和患者的一个难题。有调查表明,义齿修理中33%为人工牙脱落,29%为基托中线折裂,特别是上颌全口义齿的中线折裂。采用炭纤维增强PMMA得到的骨水泥,与纯 PMMA相比,抗拉强度和弹性模量可分别提高50%和40%,抗疲劳和蠕变性能大大提高,聚合温度可下降10℃。有研究者[”]采用悬浮聚合的方法,制备出炭纤维增强PMMA复合材料,复合材料的抗弯强度较甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯有所增加。
  (2)炭纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)
  炭纤维增强环氧树脂综合了炭纤维和环氧树脂的特性,其弹性大于金属,强度又大于塑料和有机玻璃,将三者的优点结合于一体。CFRP接骨板具有弹性模量与骨近似的特点,应用于骨折内固定可以减少应力遮挡,避免钢板取出后的再骨折。炭纤维增强环氧树脂鹅头接骨板(动力髁)如图1所示。研究表明炭纤维编织布的层叠方式决定了CFRP接骨板的强度,这给临床应用提供了选择余地,如选择强度高、弹性低的CFRP接骨板,只需将炭纤维织布相互叠加的角度改变即可。
  
  图1 炭纤维增强环氧树脂鹅头接骨板(动力髁)
  另外,许多动物试验、材料力学测试和临床应用随访证明,CFRP是一种比较理想的内固定材料,不易出现感染、异物反应、接骨板断裂及骨不连接,效果令人满意。
  (3)炭纤维增强聚氨酯基复合材料
  在众多的高分子材料中,聚醚型聚氨酯因具有相对良好的生物相容性和优异的力学性能,一直作为与血液直接接触的重要材料,用于制作人工心脏、介人性气囊、导管和心室辅助循环系统等。为提高聚醚型聚氨酯的血液相容性,当前对其进行了大量的改性工作。但是迄今为止,还没有一种改性的聚氨酯材料能够完全满足当前心血管系统临床应用的高要求,例如制作小口径血管移植物和全植入式人工心脏等。此外,目前大多数的改性方法在提高材料血液相容性的同时,会对材料的力学性能带来一定的负面影响。
  由于纳米炭的直径与聚氨酯微观结构中硬段微区的尺寸很接近,具有高表面自由能的纳米炭材料,会与聚氨酯相互作用而形成一种新的表面含有单质碳的纳米结构复合材料,该材料可以保持聚氨酯的力学性能,并使聚氨酯表面的血液相容性得到提高。
  2、炭纤维增强其他基体复合材料
  羟基磷灰石(HA)是人体骨骼中主要的无机盐成分,具有优良的生物相容性和生物活性,能够与骨形成较强的键合。但是由于HA陶瓷的易脆性,一般不能作为承重骨使用,只能用作非负荷性骨缺损填充。因此,以HA作为植入体材料的涂层或与其他材料形成复合物已成为研究热点。其中以HA/高聚物复合材料的形式应用于临床时,一方面可提高HA的韧性,另一方面,HA粉末对聚合物起弥散增韧、提高抗压强度的作用,从而可用作承重骨。
  有研究指出,以短炭纤维为增强体,采用湿法搅拌均化和自组装合成工艺使短炭纤维均匀分散于反应生成的羟基磷灰石粉体中,将复合粉体压制成型后于高温氮气保护气氛常压下可烧结制备短炭纤维增强羟基磷灰石生物复合材料。为提高复合材料的界面结合,采用低温氧化法对炭纤维进行表面处理。测试结果表明,炭纤维的表面处理对力学性能有很大影响,可大大提高复合材料界面结合强度。此种制备方法具有纤维损伤度最小、炭纤维体积分数高以及操作便利等优点,常压下烧结制备的短炭纤维增强羟基磷灰石生物复合材料是一种很有发展前途的骨替代植入材料,克服了羟基磷灰石固有的脆性和裂纹敏感性。
  曹丽云等以丙烯腈短切炭纤维为增强相,纳米HA为改性体,PMMA为基体,采用原位合成与溶液共混相结合的方法,制备了Cf-HA/PMMA生物复合材料。测试结果表明,该合成工艺可以保证短切炭纤维和HA在基体PMMA中均匀分布,所制备的复合材料具有较好的力学性能。
  3、炭纤维增强生物医学复合材料的性能评价
  在生物材料性能评价的研究中,生物相容性是生物材料研究中贯穿始终的主题。生物相容性是指生命体组织对生物材料产生反应的一种性能,该材料既可以是非活性的又可以是活性的。具体内容指材料与宿主之间的相容性,包括组织相容性和血液相容性。现在普遍认为,生物相容性包括两大原则,一是生物安全性原则,二是生物功能性原则。
  生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能,是材料与宿主之间能否结合完好的关键。20世纪70年代,已经开始有关于生物材料生物学评价标准的研究,目前已经形成了从细胞水平到整体动物较完整的评价框架。至今,国际标准化组织(ISO)以10993编号发布了二十余个相关标准,同时对生物学评价方法也进行了标准化。源于当前社会有关动物保护的舆论呼吁,为减少动物试验,国际上各国专家对体外评价方法进行了大量的研究,同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的安全性,使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平。目前的研究工作主要集中在体外细胞毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面,但具体评价方法和指标都未统一,更没有标准化。
  随着材料生物相容性研究的不断发展,评价生物材料对生物功能的影响也日益受到人们的重视。关于这方面的研究主要是体外法,具体来说侧重于对细胞功能的影响和分子生物学评价方面的研究,丽涉及材料的化学稳定性、疲劳性能和摩擦磨损性能等方面的生物材料在人体内长期埋植的稳定性则是需要开展评价研究的另一个重要部分。
  霍丹群等以复钙时问、血小板吸尉以及血浆蛋白的量等实验为基础,尝试了用数学模型中的层次分析法建立生物材料的综合评价体系,筛选出了比较重要的五个禺素,结合层次分析法探讨了综合评价抗凝血生物材料的生物相容性的方法。通过具体计算,可以得出各个影响因素的权重大小,由此就能一目了然地比较各种材料在其生物相容性上存在的差别,从而在综合评价上显示出其优越性。
  4、炭基生物医学材科的发展
  一种材料的发展与整个科学的发展是分不开的,当今生物医学工程的迅猛发展为生物材料提供了广阔的发展空间,同时也带来了越来越多的应用条件限制。一旦某类材料不满足这些条件,将会失去其发展空间。就炭基生物医学材料而言,目前在组织工程和生物医学工程中的纳米技术两方面初步有了相关的重要应用。在组织工程方面,尽管炭纤维不能降解,但由于其优秀的力学性能和良好的生物相容性,并可作为永久性植人体与新生组织相容,因而可以在肌腱和韧带的组织工程重建中起关键作用。
  尽管炭基生物医学材料的优点明显,但在临床大量使用方面则需克服如下缺点:
  ①表征困难。由于炭基生物材料不溶、不熔,因此对其化学结构的研究十分困难,同时通过基体化学改性也不可能。目前仅通过X射线衍射分析、红外光谱以及光电子能谱表面分析等手段了解了物理形貌和晶型结构、本体的化学基本结构(不精确)、表面元素组成等,而对本体各原子间的化学构成知之甚少。同时,炭基生物材料的改性也只局限于表面。
  ②断裂韧性低。炭基生物材料是类似陶瓷或玻璃结构的材料,其断裂韧性一般较低。
  ③不降解。作为承力结构材料,炭基生物材料不降解,力学性能能够长时间保持。但是目前进行的组织工程研究从人工器官转移到人造活器官,对生物材料的可降解性提出了新要求。因此,炭纤维在生物材料应用的新领域受到很大限制。
 
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