专利名称：一种磷酸钙骨水泥生物复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于材料科学与生物医学的交叉领域，特别涉及以磷酸钙生物骨水泥为基体、碳纤维和碳纳米管为增强体的复合材料及其制备方法。
背景技术：
Charnley于1961年首次将PMMA作为一种非生物骨水泥应用在临床上，由于骨水泥材料可塑形性好、能临时塑形及自固化，便于手术操作，因此，广泛应用在医疗手术中的植换、填充和修复骨、牙组织等。但是PMMA骨水泥生物相容性差，不能与骨组织牢固结合，易造成人工关节等移植体的后期松动，而且在聚合期间释放大量的热量，局部温度可高达80℃左右，能将周围的活组织细胞杀死，同时，在体液中逐渐释放出有毒单体。磷酸钙生物骨水泥克服了PMMA的一些缺点，在水化过程中放热慢、升温小，不会造成局部过热，而且在人体体液的PH值下，水化产物为羟基磷灰石(人体骨组织的主要无机成分)，生物相容性好。目前研究较多的磷酸钙活性生物骨水泥的固相采用磷酸钙盐，如磷酸四钙、磷酸三钙、二水磷酸氢钙(DCPD)、无水磷酸氢钙(DCPA)、磷酸二氢钙(MCPM)等之中的至少两种组成(α-TCP磷酸三钙骨水泥除外)，还可以有氟化物、半水硫酸钙等；液相采用去离子水、稀酸、血清、血液等。虽然磷酸钙活性生物骨水泥具有优异的生物活性，但是由于抗压强度及抗折强度较低，限制了在临床上的广泛应用。专利号为92105781.4的中国专利“生物活性纤维复合生物无机骨水泥”公开了一种主要成分为Ca10(PO4)6(OH)2和Ca3(PO4)2的活性纤维复合无机骨水泥，使复合材料的抗压强度及抗折强度提高30％-50％，但提高的幅度较小。纳米碳管于1991年被发现，具有较高的强度、弹性模量及优良的吸波性，可用于材料的增韧及功能材料的制备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种抗压强度及抗折强度高、具有仿骨结构、有一定的生物电磁效应及良好的生物相容性的磷酸钙骨水泥生物复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的一种磷酸钙骨水泥生物复合材料，包括磷酸钙，其特征是还包括碳纤维和碳纳米管，各组成部分的重量百分比(wt％)为碳纤维0.1％-1.0％，碳纳米管0.01％-3.0％，其余为磷酸钙。
制备上述复合材料的工艺步骤为1)用固相烧结法制备相应的磷酸钙盐，并按骨水泥配比的要求将不同种类的磷酸钙盐混合磨细，制得不同种类的磷酸钙生物骨水泥；2)将磷酸钙生物骨水泥与碳纳米管通过机械球磨获得骨水泥复合粉体；3)将重量百分比为0.1％-1.0％的碳长纤维分散均匀固定于模具内侧，纤维的轴向与材料的受压方向平行，纤维保持拉紧状态；4)将磷酸钙生物骨水泥复合粉体中加入去离子水，加水量按每克料0.2-0.6ml的比例，调节骨水泥的硬化时间在10-50分钟；5)将加水搅拌均匀的生物骨水泥复合粉体倒入放有碳长纤维的模具中，震动排气做成平整的试样；6)将试样置于温度为37℃，湿度为100％的恒温箱中，保温20-30小时，可得相应的磷酸钙骨水泥生物复合材料。
本发明制备的磷酸钙骨水泥生物复合材料，由于碳纤维与碳纳米管的协同增韧，以及外层致密内层疏松多孔的仿骨结构，使复合材料具有较高的抗压强度及抗折强度，有一定的生物电磁效应及良好的生物相容性，可应用于医疗手术中人工骨的植换和修复等。磷酸钙骨水泥也可用目前已有的产品。
具体实施例方式
实施例1复合材料配比为(wt％)α-TCP磷酸三钙骨水泥粉料99.1，碳纤维0.4，碳纳米管0.5。制备方法如下首先，将分析纯的CaHPO4·2H2O与分析纯CaCO3按2∶1(mol)均匀混合，然后煅烧至1250℃，保温2小时后在空气中急冷，可获得α相的TCP。磨细至过250目筛，即得α-TCP骨水泥。然后将磷酸钙生物骨水泥与碳纳米管通过机械球磨2小时获得骨水泥复合粉体。采用羟基磷灰石为促凝剂，调节磷酸钙生物骨水泥复合粉体的硬化时间为0.5小时。按加水量为0.4ml每克料的比例加水并搅拌均匀，碳长纤维分散均匀固定于模具内侧，纤维的轴向与材料的受压方向平行，纤维要保持拉紧状态。将搅拌好的复合料倒入模具中震平后置于温度为37℃，湿度为100％的恒温箱中24小时。所制得的复合材料的主要性能抗折强度可以达到14.63MPa；实施例2复合材料配比为(wt％)α-TCP磷酸三钙骨水泥粉料99.89，碳纤维0.1，碳纳米管0.01。制备方法如下首先，将分析纯的CaHPO4·2H2O与分析纯CaCO3按2∶1(mol)均匀混合，然后煅烧至1250℃，保温2小时后在空气中急冷，可获得α相的TCP。磨细至过250目筛，即得α-TCP骨水泥。将磷酸钙生物骨水泥与碳纳米管通过机械球磨2小时获得骨水泥复合粉体。采用羟基磷灰石为促凝剂，调节磷酸钙生物骨水泥复合粉体的硬化时间为20分钟。按加水量为0.35ml每克料的比例加水并搅拌均匀，碳长纤维分散均匀固定于模具内侧，纤维的轴向与材料的受压方向平行，纤维要保持拉紧状态。将搅拌好的复合料倒入模具中震平后置于温度为37℃，湿度为100％的恒温箱中24小时。本发明制备的复合材料的主要性能抗折强度可以达到10.52MPa。
实施例3复合材料配比为(wt％)α-TCP磷酸三钙骨水泥粉料96.0，碳纤维1.0，碳纳米管3.0。制备方法如实施例1，本发明制备的复合材料的主要性能抗折强度可以达到11.05MPa。
权利要求
1.一种磷酸钙骨水泥生物复合材料，包括磷酸钙，其特征是还包括碳纤维和碳纳米管，各组成部分的重量百分比(wt％)为碳纤维0.1％-1.0％，碳纳米管0.01％-3.0％，其余为磷酸钙。
2.一种权利要求1所述的磷酸钙骨水泥生物复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤1)利用固相烧结法制备相应的磷酸钙盐，并按骨水泥配比的要求将不同种类的磷酸钙盐混合磨细，制得不同种类的磷酸钙生物骨水泥；2)将磷酸钙生物骨水泥与碳纳米管通过机械球磨获得骨水泥复合粉体；3)将重量百分比为0.1％-1.0％的碳长纤维分散均匀固定于模具内侧，纤维的轴向与材料的受压方向平行，纤维保持拉紧状态；4)将磷酸钙生物骨水泥复合粉体中加入去离子水，加水量按每克料0.2-0.6ml的比例，调节骨水泥的硬化时间在10-50分钟；5)将加水搅拌均匀的生物骨水泥复合粉体倒入放有碳长纤维的模具中，震动排气做成平整的试样；6)将试样置于温度为37℃，湿度为100％的恒温箱中，保温20-30小时，可得相应的磷酸钙骨水泥生物复合材料。
全文摘要
本发明提供了一种磷酸钙骨水泥生物复合材料及其制备方法，该复合材料包括磷酸钙，其特征是还包括碳纤维和碳纳米管。通过将碳长纤维沿一定方向分散在模具内，然后倒入加去离子水搅拌均匀的磷酸钙生物骨水泥和碳纳米管，最终制得仿骨结构的磷酸钙骨水泥生物复合材料。该复合材料具有良好的力学性能和生物相容性，可应用于医疗手术中人工骨的植换和修复等，由于碳纳米管具有良好的吸收电磁波性能，因此，复合材料还同时具有一定电磁生物效应。
文档编号A61F2/28GK1559887SQ20041002370
公开日2005年1月5日 申请日期2004年3月2日 优先权日2004年3月2日
发明者孙康宁, 赵萍 申请人:山东大学