專利名稱：一種磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)的交叉領(lǐng)域，特別涉及以磷酸鈣生物骨水泥為基體、碳纖維和碳納米管為增強(qiáng)體的復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
Charnley于1961年首次將PMMA作為一種非生物骨水泥應(yīng)用在臨床上，由于骨水泥材料可塑形性好、能臨時塑形及自固化，便于手術(shù)操作，因此，廣泛應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)中的植換、填充和修復(fù)骨、牙組織等。但是PMMA骨水泥生物相容性差，不能與骨組織牢固結(jié)合，易造成人工關(guān)節(jié)等移植體的后期松動，而且在聚合期間釋放大量的熱量，局部溫度可高達(dá)80℃左右，能將周圍的活組織細(xì)胞殺死，同時，在體液中逐漸釋放出有毒單體。磷酸鈣生物骨水泥克服了PMMA的一些缺點，在水化過程中放熱慢、升溫小，不會造成局部過熱，而且在人體體液的PH值下，水化產(chǎn)物為羥基磷灰石(人體骨組織的主要無機(jī)成分)，生物相容性好。目前研究較多的磷酸鈣活性生物骨水泥的固相采用磷酸鈣鹽，如磷酸四鈣、磷酸三鈣、二水磷酸氫鈣(DCPD)、無水磷酸氫鈣(DCPA)、磷酸二氫鈣(MCPM)等之中的至少兩種組成(α-TCP磷酸三鈣骨水泥除外)，還可以有氟化物、半水硫酸鈣等；液相采用去離子水、稀酸、血清、血液等。雖然磷酸鈣活性生物骨水泥具有優(yōu)異的生物活性，但是由于抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度較低，限制了在臨床上的廣泛應(yīng)用。專利號為92105781.4的中國專利“生物活性纖維復(fù)合生物無機(jī)骨水泥”公開了一種主要成分為Ca10(PO4)6(OH)2和Ca3(PO4)2的活性纖維復(fù)合無機(jī)骨水泥，使復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度提高30％-50％，但提高的幅度較小。納米碳管于1991年被發(fā)現(xiàn)，具有較高的強(qiáng)度、彈性模量及優(yōu)良的吸波性，可用于材料的增韌及功能材料的制備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度高、具有仿骨結(jié)構(gòu)、有一定的生物電磁效應(yīng)及良好的生物相容性的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的一種磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料，包括磷酸鈣，其特征是還包括碳纖維和碳納米管，各組成部分的重量百分比(wt％)為碳纖維0.1％-1.0％，碳納米管0.01％-3.0％，其余為磷酸鈣。
制備上述復(fù)合材料的工藝步驟為1)用固相燒結(jié)法制備相應(yīng)的磷酸鈣鹽，并按骨水泥配比的要求將不同種類的磷酸鈣鹽混合磨細(xì)，制得不同種類的磷酸鈣生物骨水泥；2)將磷酸鈣生物骨水泥與碳納米管通過機(jī)械球磨獲得骨水泥復(fù)合粉體；3)將重量百分比為0.1％-1.0％的碳長纖維分散均勻固定于模具內(nèi)側(cè)，纖維的軸向與材料的受壓方向平行，纖維保持拉緊狀態(tài)；4)將磷酸鈣生物骨水泥復(fù)合粉體中加入去離子水，加水量按每克料0.2-0.6ml的比例，調(diào)節(jié)骨水泥的硬化時間在10-50分鐘；5)將加水?dāng)嚢杈鶆虻纳锕撬鄰?fù)合粉體倒入放有碳長纖維的模具中，震動排氣做成平整的試樣；6)將試樣置于溫度為37℃，濕度為100％的恒溫箱中，保溫20-30小時，可得相應(yīng)的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料。
本發(fā)明制備的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料，由于碳纖維與碳納米管的協(xié)同增韌，以及外層致密內(nèi)層疏松多孔的仿骨結(jié)構(gòu)，使復(fù)合材料具有較高的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，有一定的生物電磁效應(yīng)及良好的生物相容性，可應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)中人工骨的植換和修復(fù)等。磷酸鈣骨水泥也可用目前已有的產(chǎn)品。
具體實施例方式
實施例1復(fù)合材料配比為(wt％)α-TCP磷酸三鈣骨水泥粉料99.1，碳纖維0.4，碳納米管0.5。制備方法如下首先，將分析純的CaHPO4·2H2O與分析純CaCO3按2∶1(mol)均勻混合，然后煅燒至1250℃，保溫2小時后在空氣中急冷，可獲得α相的TCP。磨細(xì)至過250目篩，即得α-TCP骨水泥。然后將磷酸鈣生物骨水泥與碳納米管通過機(jī)械球磨2小時獲得骨水泥復(fù)合粉體。采用羥基磷灰石為促凝劑，調(diào)節(jié)磷酸鈣生物骨水泥復(fù)合粉體的硬化時間為0.5小時。按加水量為0.4ml每克料的比例加水并攪拌均勻，碳長纖維分散均勻固定于模具內(nèi)側(cè)，纖維的軸向與材料的受壓方向平行，纖維要保持拉緊狀態(tài)。將攪拌好的復(fù)合料倒入模具中震平后置于溫度為37℃，濕度為100％的恒溫箱中24小時。所制得的復(fù)合材料的主要性能抗折強(qiáng)度可以達(dá)到14.63MPa；實施例2復(fù)合材料配比為(wt％)α-TCP磷酸三鈣骨水泥粉料99.89，碳纖維0.1，碳納米管0.01。制備方法如下首先，將分析純的CaHPO4·2H2O與分析純CaCO3按2∶1(mol)均勻混合，然后煅燒至1250℃，保溫2小時后在空氣中急冷，可獲得α相的TCP。磨細(xì)至過250目篩，即得α-TCP骨水泥。將磷酸鈣生物骨水泥與碳納米管通過機(jī)械球磨2小時獲得骨水泥復(fù)合粉體。采用羥基磷灰石為促凝劑，調(diào)節(jié)磷酸鈣生物骨水泥復(fù)合粉體的硬化時間為20分鐘。按加水量為0.35ml每克料的比例加水并攪拌均勻，碳長纖維分散均勻固定于模具內(nèi)側(cè)，纖維的軸向與材料的受壓方向平行，纖維要保持拉緊狀態(tài)。將攪拌好的復(fù)合料倒入模具中震平后置于溫度為37℃，濕度為100％的恒溫箱中24小時。本發(fā)明制備的復(fù)合材料的主要性能抗折強(qiáng)度可以達(dá)到10.52MPa。
實施例3復(fù)合材料配比為(wt％)α-TCP磷酸三鈣骨水泥粉料96.0，碳纖維1.0，碳納米管3.0。制備方法如實施例1，本發(fā)明制備的復(fù)合材料的主要性能抗折強(qiáng)度可以達(dá)到11.05MPa。
權(quán)利要求
1.一種磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料，包括磷酸鈣，其特征是還包括碳纖維和碳納米管，各組成部分的重量百分比(wt％)為碳纖維0.1％-1.0％，碳納米管0.01％-3.0％，其余為磷酸鈣。
2.一種權(quán)利要求1所述的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料的制備方法，其特征是包括以下步驟1)利用固相燒結(jié)法制備相應(yīng)的磷酸鈣鹽，并按骨水泥配比的要求將不同種類的磷酸鈣鹽混合磨細(xì)，制得不同種類的磷酸鈣生物骨水泥；2)將磷酸鈣生物骨水泥與碳納米管通過機(jī)械球磨獲得骨水泥復(fù)合粉體；3)將重量百分比為0.1％-1.0％的碳長纖維分散均勻固定于模具內(nèi)側(cè)，纖維的軸向與材料的受壓方向平行，纖維保持拉緊狀態(tài)；4)將磷酸鈣生物骨水泥復(fù)合粉體中加入去離子水，加水量按每克料0.2-0.6ml的比例，調(diào)節(jié)骨水泥的硬化時間在10-50分鐘；5)將加水?dāng)嚢杈鶆虻纳锕撬鄰?fù)合粉體倒入放有碳長纖維的模具中，震動排氣做成平整的試樣；6)將試樣置于溫度為37℃，濕度為100％的恒溫箱中，保溫20-30小時，可得相應(yīng)的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料及其制備方法，該復(fù)合材料包括磷酸鈣，其特征是還包括碳纖維和碳納米管。通過將碳長纖維沿一定方向分散在模具內(nèi)，然后倒入加去離子水?dāng)嚢杈鶆虻牧姿徕}生物骨水泥和碳納米管，最終制得仿骨結(jié)構(gòu)的磷酸鈣骨水泥生物復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和生物相容性，可應(yīng)用于醫(yī)療手術(shù)中人工骨的植換和修復(fù)等，由于碳納米管具有良好的吸收電磁波性能，因此，復(fù)合材料還同時具有一定電磁生物效應(yīng)。
文檔編號A61F2/28GK1559887SQ20041002370
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者孫康寧, 趙萍 申請人:山東大學(xué)