一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料、骨修复体及其制备方法、应用与流程

文档序号:11094324阅读:688来源:国知局
一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料、骨修复体及其制备方法、应用与制造工艺

本发明涉及医学生物材料领域,尤其涉及一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料、骨修复体及其制备方法和应用。



背景技术:

随着我国工业交通的发展和人口的老龄化,严重骨创伤和骨退变等疾病的发病率逐渐上升,对骨科医疗器械的发展提出了新的要求,即需要具备良好的生物活性、植入体内后能形成骨性结合。但目前临床上广泛应用的骨科固定材料及骨缺损修复材料,均存在生物活性较差的问题。

目前临床广泛应用钛合金和聚醚醚酮(PEEK)类骨科固定或修复材料。但钛合金弹性模量过高,常因为应力遮蔽效应造成骨吸收;过高的弹性模量还会导致界面松动。PEEK材料具有较好的力学相容性,其弹性模量与骨相近,不会造成骨吸收和界面松动。但PEEK是生物惰性材料,成骨性能差,不能形成骨性融合;PEEK植入后,在PEEK材料和组织之间容易形成纤维界膜,导致PEEK植入体的松动甚至脱出。

目前一般通过对其表面进行钛和羟基磷灰石(HA)喷涂的方法来提高PEEK材料的表面活性,但涂层易脱落并引起周围组织的炎症反应。如何在保持PEEK材料优秀力学相容性的同时提高其生物活性,是目前新型PEEK骨修复材料研制所要解决的重大问题。



技术实现要素:

为解决以上技术问题,本发明公开了一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料及骨修复体,其力学性能优良,骨生物活性显著提高,植入后诱导骨组织再生,促进融合,并具有人骨生物力学特性,为生物活性骨修复或替代材料的制备提供了重要材料基础。

为达到上述技术目的,本发明的技术方案是:一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,按照质量分数,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料中,硅酸钙的占比为30%~50%,聚醚醚酮的占比50%~70%;所述硅酸钙的粒径为20μm~30μm(微米),所述聚醚醚酮的粒径为30μm~40μm(微米)。

其中,所述硅酸钙预先用聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠表面改性剂进行改性。

用表面改性剂(聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠)对硅酸钙粉末的表面进行改性,可以提高其分散性,改善无机材料(硅酸钙)和有机材料(PEEK)的界面性能,提高有机无机材料的界面结合强度。优选的,聚乙二醇4000的用量为硅酸钙用量的1%~4%。优选的,羧甲基纤维素钠的用量为硅酸钙用量的2%~3%。

其中,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料可以与造孔剂混合,制成多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料。优选的,造孔剂可以是食盐、淀粉。优选的,硅酸钙/聚醚醚酮与造孔剂的质量比为1∶5~9。所述多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的孔径为300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔与孔之间相互连通。

本发明还提供一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的制备方法,将硅酸钙粉末和聚醚醚酮粉末均匀混合,得混合粉末;将所述混合粉末进行高温熔融共混,即得到所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料;按照质量分数,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料中,所述硅酸钙的占比为30%~50%,所述聚醚醚酮的占比50%~70%;所述硅酸钙粉末的粒径为20μm~30μm,所述聚醚醚酮粉末的粒径为30μm~40μm。

其中,所述高温熔融共混在双螺杆挤出机中进行;所述熔融共混的温度为370℃~380℃;所述双螺杆挤出机的压力为80MPa~100MPa。

上述双螺杆挤出的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料,经过拉样条、冷却、切粒,最后形成CS/PEEK(硅酸钙/聚醚醚酮)复合生物材料母粒,母粒的大小在2mm~5mm。

其中,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料中的硅酸钙预先用聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠表面改性剂进行改性。

其中,将硅酸钙和聚醚醚酮混合粉末与造孔剂混合,可制成多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料。优选的,造孔剂可以是食盐、淀粉。优选的,硅酸钙/聚醚醚酮混合粉末与造孔剂的质量比为1∶5~9。优选的,造孔剂的颗粒大小在200μm~500μm。

其中,所述多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的孔径为300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔与孔之间相互连通。

本发明还提供一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体由上述的任一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料制成:将所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的母粒在模具中压制成型,再在高温烧结炉中烧结成型;样品烧结时,烧结炉的升温速度为0.5℃/min~1℃/min;烧结温度为365℃~380℃;烧结保温时间为4小时~5小时;

或,将所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的母粒在注塑机中注塑成型;注塑温度370℃~380℃;注塑成型压力为100MPa~120MPa。

模压成型的CS/PEEK(硅酸钙/聚醚醚酮)复合修复体形状由模具决定。将复合材料直接加工成骨修复体,可用于骨修复。或将CS/PEEK复合材料加工成棒状(直径和长度在2cm~5cm)或长方条状(长、宽、高在2cm~5cm)样品;再用精密加工机床加工成骨修复体,用于骨修复。

优选的,采用等离子喷涂方法将硅酸钙喷涂在所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面,在所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面形成一层均匀的硅酸钙涂层。

优选的,所述硅酸钙涂层的厚度为1mm~2mm。

本发明还提供所述的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的应用,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料应用于骨修复中。

本发明还提供所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体的应用,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体应用在骨修复体或多孔骨修复体中。

本发明具体地为:将硅酸钙粉末和聚醚醚酮粉末均匀混合(按照质量分数,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料中,硅酸钙的占比为30%~50%,聚醚醚酮的占比50%~70%),得混合粉末;将所述混合粉末进行高温熔融共混,即得到硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料。

将上述的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的母粒在注塑机中进行注塑成型,得到硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体;注塑温度为370℃~380℃;注塑成型压力为100MPa~120MPa。CS/PEEK复合材料母粒加工成型的样品形状由模具决定,将CS/PEEK复合材料直接加工成骨修复体,可用于骨修复。或将CS/PEEK复合材料母粒加工成棒状(直径和长度在2cm~5cm)或长方条状(长、宽、高在2cm~5cm)样品;再用精密加工机床加工成骨修复体,加工成型的复合骨修复体,可用于骨修复。上述骨修复体为致密骨修复体。

也可将上述的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料的母粒在模具中压制成型,在高温烧结炉中烧结成型(高温熔融),得到硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体;样品烧结时,烧结炉的升温速度为0.5℃/min~1℃/min;烧结温度为365℃~380℃;烧结保温时间为4小时~5小时。模压成型的CS/PEEK复合材料样品形状由模具决定。将CS/PEEK复合材料直接加工成骨修复体,可用于骨修复。或将CS/PEEK复合材料加工成棒状(直径和长度在2cm~5cm)或长方条状(长、宽、高在2cm~5cm)样品;再用精密加工机床加工成骨修复体,用于骨修复。上述骨修复体为致密骨修复体。

或将硅酸钙/聚醚醚酮粉末均匀混合,在模具中压制成型,取出样品后,再用烧结炉烧结成型,得到硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体。烧结炉的升温速度为0.5℃/min~1℃/min;烧结温度为365℃~380℃;烧结保温时间为4小时~5小时。上述骨修复体为致密骨修复体。

也可将所述的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料与造孔剂混合,制成多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料后应用于骨修复中。将硅酸钙/聚醚醚酮混合粉末和造孔剂(至少包括食盐和/或淀粉颗粒)均匀混合,造孔剂的颗粒大小在200μm~500μm,混合粉末与造孔剂的质量比为1∶5~9,在模具中压制成型,取出样品后,再用烧结炉烧结成型,烧结炉的升温速度为0.5℃/min~1℃/min;烧结温度为365℃~380℃;烧结保温时间为4小时~5小时。将烧结好的CS/PEEK复合样品放在水中,将造孔剂浸出,得到多孔CS/PEEK复合材料;其孔径在300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔与孔之间相互连通,加工成型的多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合材料形状由模具决定。多孔CS/PEEK复合材料可用于骨修复(骨修复体),即为多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体。

将硅酸钙/聚醚醚酮复合材料,包括致密或多孔骨修复体,浸泡在模拟体液(SBF)中,经过不同时间(3,7和14天),其表面矿化形成磷灰石,表面形成磷灰石的骨修复体可用于骨修复,可以提高植入体和骨组织的结合速度和强度。

还可将硅酸钙采用等离子喷涂方法喷涂在硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面,即在硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面形成一层均匀的硅酸钙涂层,涂层厚度在1mm~2mm,表面喷涂硅酸钙的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体可用于骨修复。硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面再涂层一层硅酸钙,能够进一步提高复合骨修复体表面的生物活性,提高复合骨修复体的表面新骨形成能力和与骨组织形成骨整合的能力。

硅酸钙/聚醚醚酮复合材料可应用于骨修复体(如骨科固定器械,如骨螺钉、骨板、骨固定棒等)中,或应用于多孔骨修复体(如在骨缺损填充修复)中。

硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体可应用于骨修复体(如骨科固定器械,如骨螺钉、骨板、骨固定棒等)中,或应用于多孔骨修复体(如在骨缺损填充修复)中。

本发明从以下方面来提高PEEK材料及骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充修复体等)的生物活性:

生物活性硅酸钙(CS)材料具有优良的成骨活性,本发明采用双螺杆挤出机,在高温熔融挤出造粒,制备CS/PEEK复合材料颗粒,采用注塑成型技术,或采用冷压烧结成型技术,将CS材料均匀掺入PEEK材料中,制备出力学性能和生物活性优良的CS/PEEK复合骨修复材料。

CS/PEEK复合骨修复材料力学性能优良、弹性模量与自然骨相似,具有较好的成骨生物活性。在此基础上制备的CS/PEEK复合骨修复体,同时具有优良的力学相容性,不会因为应力遮挡而造成骨吸收。骨修复体(如骨科固定器械等)植入后可促进周围骨组织再生以及与自然骨组织的融合,可满足术后骨科器械的即刻固定和长期稳定性的要求;骨修复体植入体内后,表面钙、硅离子的释放可促进周围骨组织形成,并与自然骨组织形成骨性结合。

将本发明的硅酸钙/聚醚醚酮复合体,包括致密骨修复体或多孔骨修复体,浸泡在模拟体液(SBF)中,经过不同时间(3,7和14天),其表面矿化形成磷灰石,表面形成磷灰石的骨修复体可用于骨修复,可以提高植入体和骨组织的结合速度和强度。

本发明的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料可应用在骨修复体(如骨科固定器械,如骨螺钉、骨板、骨固定棒等)中,或多孔骨修复体(如在骨缺损填充修复)中。

本发明中,所述加工成型后得到的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的形状不限。若所述加工成型中所用的模具为骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)产品的模具,则所述的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料可直接用作骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)。若所述加工成型中所用的模具不是骨修复体产品的模具,则可通过后续的加工处理操作,例如机械加工等工序,以制备所需形状的骨修复体。

本发明中,硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料、CS/PEEK复合材料、CS/PEEK复合生物材料、硅酸钙/聚醚醚酮复合材料均为同义,指本发明中的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料。

本发明中,所述的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料为一种用硅酸钙增强聚醚醚酮的复合材料。

本发明中,所述的骨修复体为骨科固定器械、骨缺损填充材料等。所述的骨科固定器械,包括骨螺钉、固定棒等,所述的骨缺损填充材料,如多孔骨缺损修复体。

其中,所述骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)产品的模具为制备骨修复体产品时常规使用的模具。

本发明中,所述骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)的形状和规格可根据实际需要通过选择不同的模具进行改变。

本发明中,所述骨修复体(如骨科固定器械等)的力学性能指标大致如下:弹性模量为3GPa~8GPa,抗压强度为100MPa~120MPa。

本发明中,所述多孔骨修复体(如骨缺损填充材料等)的力学性能指标大致如下:抗压强度为3MPa~10MPa。多孔骨修复体孔径在300μm~400μm,孔隙率为60%-80%,孔与孔之间相互连通。

在符合本领域常识的基础上,上述各优选条件,可任意组合,即得本发明各较佳实例。

本发明所用试剂和原料均市售可得。

本发明的有益效果在于:

(1)本发明的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备方法简单易行,可根据临床需求相应调整该硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备工艺来制备不同形状、规格和力学性能的骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)。

(2)用表面改性剂(聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠)对硅酸钙粉末的表面进行改性,提高其分散性,可改善无机材料(硅酸钙)和有机材料(PEEK)的界面性能,提高有机无机材料的界面结合强度。

(3)硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的多孔骨修复体,其孔径在300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔之间相互连通,在复合材料表面形成多孔结构,骨细胞/骨组织容易长入多孔孔隙中,使用骨组织与植入体形成牢固的结合。

硅酸钙/聚醚醚酮复合体,包括致密或多孔骨修复体,将这些骨修复体浸泡在模拟体液(SBF)中,经过不同时间(3,7和14天),其表面矿化形成磷灰石,表面形成磷灰石的骨修复体可用于骨修复,可以提高植入体和骨组织的结合速度和强度。

(4)本发明采用等离子喷涂方法将硅酸钙喷涂在硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面,在骨修复体表面形成一层均匀的硅酸钙,表面喷涂硅酸钙的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体/复合材料用于骨修复,能够进一步提高复合骨修复体/复合材料表面的生物活性,提高复合骨修复体/复合材料的表面新骨形成能力和与骨组织形成骨整合的能力,成骨效果更好。

(5)本发明的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料具有良好的生物活性和生物相容性,与骨组织有较好的力学相容性,能够刺激骨生长,加速骨愈合,减少骨植入材料后的愈合时间。

(6)本发明的骨修复体(如骨科固定器械、骨缺损填充材料等)具有良好的生物相容性、生物活性、骨力学相容性,能缩短骨愈合时间。使用该骨修复体植入后不会引起炎症反应,且其弹性模量、韧性和断裂强度等力学性能与人骨相匹配,不会造成应力遮挡引起的骨修复材料松动和骨吸收等负面效应,能够满足临床对于骨修复的需要。

本发明通过在PEEK中复合生物活性材料微米硅酸钙,获得了力学性能优良、同时骨生物活性显著提高的CS/PEEK复合材料,为生物活性骨修复或替代材料的制备提供了重要实验基础。生物活性CS/PEEK复合骨修复材料,植入后诱导骨组织再生,促进融合,并具有人骨生物力学特性。

附图说明

图1是实施例10制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合多孔材料SEM照片。

图2是实施例12中硅酸钙/聚醚醚酮复合致密体浸泡14天后的表面SEM形貌照片。

图3是实施例13硅酸钙/聚醚醚酮复合致密体表面等离子体喷涂硅酸钙的SEM表面形貌照片。

图4为效果实施例3中,对制得的复合材料的体外生物活性实验,表面沉积磷灰石的SEM图像与EDS谱图。

图5为效果实施例4中,两种复合材料的细胞毒性光密度值。

图6为效果实施例5中,两种复合材料的细胞光密度值。

图7为效果实施例5中,复合材料细胞粘附SEM图。

图8为效果实施例6中,细胞在复合材料表面定向分化的光密度情况。

图9为效果实施例7中,骨缺损区域的CT重构2D与3D新生骨图。

图10为效果实施例7中骨缺损区域新生骨量对比图。图10为摘要附图。

图11为效果实施例7中骨缺损区域植入物拔出强度对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。

一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,按照质量分数,所述硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料中,硅酸钙的占比为30%~50%,聚醚醚酮的占比50%~70%;所述硅酸钙的粒径为20μm~30μm,所述聚醚醚酮的粒径为30μm~40μm。

实施例1

一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,由45%的硅酸钙和55%的聚醚醚酮混合制成,硅酸钙为粉末状(粒径为20μm),聚醚醚酮为粉末状(粒径为30μm)。

所述硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备方法,包括下述步骤:

将4.5kg的硅酸钙粉末(粒径为20μm)和5.5kg聚醚醚酮粉末(粒径为30μm)在混合机中均匀混合,得混合粉末;然后将混合粉末用双螺杆挤出机高温熔融共混后挤出造粒,所述熔融挤出的温度为370℃~380℃;所述双螺杆挤出机的压力为80MPa~100MPa。

实施例2

一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,由45%的硅酸钙和55%的聚醚醚酮制成,硅酸钙为粉末(粒径为20μm),聚醚醚酮为粉末(粒径为30μm),硅酸钙粉末用聚乙二醇4000的乙醇溶液预先处理。

所述硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备方法,包括下述步骤:

将4.5kg的硅酸钙粉末(粒径为20μm)用聚乙二醇4000的乙醇溶液处理,聚乙二醇4000的用量为硅酸钙用量的1%~4%,处理后的硅酸钙在烘箱里烘干。将5.5kg聚醚醚酮粉末(粒径为30μm)用乙醇溶液清洗3次,清洗后的PEEK粉末在烘箱里烘干。将处理后的硅酸钙和PEEK粉末在混合机中均匀混合,得混合粉末;然后将混合粉末用双螺杆挤出机熔融挤出造粒,所述熔融挤出的温度为370℃~380℃;所述双螺杆挤出机的压力为80MPa~100MPa。

实施例3

一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,由50%的硅酸钙和50%的聚醚醚酮制成,硅酸钙为粉末(粒径为30μm),聚醚醚酮为粉末(粒径为40μm),硅酸钙粉末用羧甲基纤维素钠的水溶液预先处理。

所述硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备方法,包括下述步骤:

将5kg的硅酸钙粉末(粒径为30μm)用羧甲基纤维素钠的水溶液处理,羧甲基纤维素钠的用量为硅酸钙用量的2%~3%,处理后的硅酸钙在烘箱里烘干。将5kg聚醚醚酮粉末(粒径为40μm)用乙醇溶液清洗3次,清洗后的PEEK粉末在烘箱里烘干。将处理后的硅酸钙和PEEK粉末在混合机中均匀混合,得混合粉末;然后将混合粉末用双螺杆挤出机熔融挤出造粒,所述熔融挤出的温度为370℃~380℃;所述双螺杆挤出机的压力为80MPa~100MPa。

实施例4,

将实施例1~3中制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料颗粒,用注塑机注射成型(使用高分子基复合材料力学测试的模具),所述注塑温度为370℃~380℃;所述注塑机的压力为80MPa~120MPa。

各实施例硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的力学性能见表1。

实施例5

将实施例2中制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料颗粒,用注塑机注射成型(使用骨修复体的模具,将复合材料颗粒直接注塑成骨修复体),所述注塑温度为370℃~380℃;所述注塑机的压力为80MPa~120MPa。

实施例6

将实施例3中制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料颗粒,用注塑机注射成型(使用通用的模具),所述注塑温度为370℃~380℃;所述注塑机的压力为80MPa~120MPa。将复合材料加工成型为棒状(直径为4cm,长为5cm的复合材料棒)或长方条状(长为5cm、宽3cm、高3cm的长条状样品),再用精密加工机床加工成骨修复体。

实施例7

将实施例2中制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料颗粒,在模具中压制成型,在高温烧结炉中烧结成型(高温熔融),即可;样品烧结时,烧结炉的升温速度为1℃/min;烧结温度为370℃;烧结保温时间为5小时。用模压成型的方法,将CS/PEEK复合材料加工成高分子基复合材料力学测试样条。或将CS/PEEK复合材料加工成棒状(直径4cm,长度5cm)或长方条状(长5cm、宽3cm、高4cm)样品;再用精密加工机床加工成骨修复体,加工成型的CS/PEEK复合样品可用于骨修复(骨修复体)。该硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的力学性能见表1。

实施例8

将实施例3中制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料颗粒,在模具(骨修复体模具)中压制成型,在高温烧结炉中烧结成型(高温熔融),即可;样品烧结时,烧结炉的升温速度为0.5℃/min;烧结温度为365℃;烧结保温时间为4小时。烧结成型的骨修复体样品可直接用于骨修复(骨修复体的模具)。

实施例9

将5g的硅酸钙粉末(粒径为30μm)和5g聚醚醚酮粉末(粒径为40μm)在混合机中均匀混合,得混合粉末;然后用模具压制成型,再在烧结炉中升温,烧结成型,即得;其中,烧结温度为370℃;烧结炉的升温速度为0.5℃/min;保温时间为4小时。将CS/PEEK复合材料加工成高分子基复合材料力学测试样条。该硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的力学性能见表1。

实施例10

将4.5g硅酸钙(粒径为25μm)和5.5g聚醚醚酮(粒径为35μm)混合粉末和造孔剂(食盐)均匀混合(造孔剂的颗粒大小在500μm,混合粉末与造孔剂的质量比为1∶7)在模具中压制成型,取出样品后,再用烧结炉烧结成型,烧结炉的升温速度为1℃/min;烧结温度为370℃;烧结保温时间为5小时。将烧结好的CS/PEEK复合样品放在水中,将造孔剂浸出,每12小时换水一次,换水4~7次。得到多孔CS/PEEK复合材料;多孔骨修复体孔径在300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔相互连通。多孔样品形状由模具的大小和形状决定。该硅酸钙/聚醚醚酮复合多孔材料的力学性能见表2。该多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的SEM形貌照片见图1。

实施例11

将5g硅酸钙(粒径为20μm)和5g聚醚醚酮(粒径为30μm)混合粉末和造孔剂(淀粉颗粒)均匀混合(造孔剂的颗粒大小在300μm,混合粉末与造孔剂的质量比为1∶8)在模具中压制成型,取出样品后,再用烧结炉烧结成型,烧结炉的升温速度为0.5℃/min;烧结温度为365℃;烧结保温时间为4小时。将烧结好的CS/PEEK复合样品放在水中,将造孔剂浸出,每12小时换水一次,换水4~7次。得到多孔CS/PEEK复合样品的即可;多孔骨修复体孔径在300μm~400μm,孔隙率为60%~80%,孔与孔之间相互连通。多孔样品形状由模具的大小和形状决定。该硅酸钙/聚醚醚酮复合多孔材料的力学性能见表2。

实施例12

将实施例11制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体(多孔体)浸泡在模拟体液(SBF)中,经过不同时间(3,7和14天),通过扫描电镜观察其表面矿化形成磷灰石,表面形成磷灰石的骨修复体可以提高植入体和骨组织的结合速度和强度。硅酸钙/聚醚醚酮复合材料多孔体浸泡14天后的表面SEM形貌照片见图2。

实施例13

采用等离子喷涂方法将硅酸钙喷涂在硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体表面,在骨修复体表面形成一层均匀的硅酸钙,涂层厚度在1μm,表面喷涂硅酸钙的硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复体可用于骨修复。硅酸钙/聚醚醚酮复合材料表面等离子体喷涂硅酸钙的SEM表面形貌照片见图3。

硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的生物活性(成骨能力和与骨组织形成骨整合的性能)由硅酸钙决定,而PEEK决定复合材料的力学性能。这两者都具有非常好的生物安全性。

本实施例在硅酸钙/聚醚醚酮复合材料表面再涂层一层硅酸钙,进一步提高复合材料表面的生物活性,提高复合材料的表面新骨形成能力和与骨组织形成骨整合的能力,成骨效果更好。

实施例14

一种硅酸钙/聚醚醚酮复合骨修复材料,由30%的硅酸钙和70%的聚醚醚酮混合制成,硅酸钙为粉末状(粒径为20μm),聚醚醚酮为粉末状(粒径为30μm)。

所述硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的制备方法,包括下述步骤:

将3.0kg的硅酸钙粉末(粒径为20μm)和7.0kg聚醚醚酮粉末(粒径为30μm)在混合机中均匀混合,得混合粉末;然后将混合粉末用双螺杆挤出机高温熔融共混后挤出造粒,所述熔融挤出的温度为370℃~380℃;所述双螺杆挤出机的压力为80MPa~100MPa。

效果实施例1

力学性能试验:

对上述实施例制备的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行了力学性能测试,测试结果见表1。

表1 各实施例的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的力学性能

由表1可见,本发明硅酸钙/聚醚醚酮复合材料与人骨的弹性模量相近,且在力学性能中的各个参数指标方面,本发明复合材料相比于人骨组织具有更优秀的力学性能,非常适合于作为人体硬组织的替代材料。

在制备方法上,注射成型和烧结成型两种方法制备的材料力学性能不同,注射成型(实施例5、6)的复合材料力学性能明显好于烧结成型(实施例7、9)的复合材料。

用聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠对硅酸钙粉末的表面进行处理(实施例2、3、7),相比未经聚乙二醇4000或羧甲基纤维素钠处理的(实施例1、9),硅酸钙/聚醚醚酮复合材料力学性能明显提高。说明表面处理剂可以改善无机材料(硅酸钙)和有机材料(PEEK)的界面性能,提高有机材料--无机材料的界面结合强度。

两种处理剂对复合材料的力学性能影响差异不大(聚乙二醇4000和羧甲基纤维素钠两种表面处理剂比较)(实施例2和3比较)。

效果实施例2

对实施例10~11的硅酸钙/聚醚醚酮复合多孔材料进行了力学性能、孔隙率、孔径和孔连通性测试,测试结果见表2。

表2 多孔硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的力学性能

效果实施例3

对实施例1和2中制得的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行体外生物活性实验:其中样品直径为10mm,厚度为2mm,将复合材料浸泡盛有20mL的SBF溶液的离心管中。然后放置在37℃的恒温振荡箱中,浸泡7天后取样。用去离子水轻轻冲洗表面后烘干。通过SEM电镜观察样品表面的磷灰石的生成情况和微观形貌,通过EDS测定样品表面生成的物质的组成成分,以不添加硅酸钙的PEEK材料样品为对照组。从图4中可以看到,a图中PEEK组浸泡后表面没有观察到磷灰石沉积物;b图中含45wt%硅酸钙的复合材料(PEEK45)表面出现大量的沉积物;c图中含50wt%硅酸钙的复合材料(PEEK50)表面出现的沉积物的量最多;d图为PEEK50表面EDS分析谱图,对PEEK50表面EDS分析表明含有钙磷离子,并且钙磷比为1.67,因此判定沉积物成分为磷灰石。体外生物活性实验结果表明,复合材料具有良好的生物活性。

效果实施例4

硅酸钙/聚醚醚酮复合材料的细胞毒性实验:对实施例1和2制得的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行细胞毒性实验,其中样品直径为10mm,厚度为2mm。

细胞毒性实验的具体方法如下:

根据ISO10993-5细胞毒性标准测试复合材料的生物安全性。在37℃下,两种样品在无血清细胞培养基中(200mg/mL)浸泡24小时,过滤得浸提液。以3×102/孔的浓度将成纤维细胞接种到96孔细胞培养板,继续培养1天后,弃去培养基,PBS清洗3遍;加入含10%FBS的浸提液,继续培养1天;未加含10%FBS的材料浸提液作为实验空白对照组。在测试时间点时,每孔加入30μLMTT溶液,继续孵育培养4小时后,弃去培养液,PBS清洗3遍,每孔加入100μLDMSO,室温静置10分钟后,用酶标仪在490nm波长处,测溶液的吸光度值,见图5。由图5可见,与对照组(组织培养板TCP)相比,实验组(实施例1和2的样品)的吸光度值没有显著性差异,表明这两种复合材料对成纤维细胞的生长没有负面影响。经计算可知,材料浸提液中的细胞与空白对照组的细胞存活率皆在95%以上,证明这两种样品对成纤维细胞均没有毒性。

效果实施例5

细胞粘附增殖实验:对实施例1和2制得的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行细胞粘附增殖实验,其中样品直径为10mm,厚度为2mm。

细胞粘附增殖实验的具体方法如下:

(1)采用CCK8法进行细胞增殖实验。在细胞接种开始前,先把材料样品通过环氧乙烷消毒灭菌,放进24孔板内,然后在材料上接种1×104个细胞/mL的MC3T3-E1细胞。培养过程中每两天更换一次细胞培养液,在细胞培养了1、3和7天之后,在相应的时间点,取出材料放进新的24孔板内,添加500μL的CCK8试剂,放回培养箱中培养4小时,然后从中吸100μL培养液到96孔板内,采用酶标仪在490nm位置,测定对应的光密度值(OD)。以不添加硅酸钙的PEEK材料样品为对照组。结果见图6,可见PEEK50复合材料的细胞增殖能力最高,PEEK45次之,PEEK材料的细胞增殖能力最低。

(2)将MC3T3-E1细胞以每孔1×104的密度接种在复合样品表面,分别于12h、24h使用固定液将细胞固定后在扫描电镜下观察细胞粘附情况,如图7。图7中a为聚醚醚酮组12h细胞粘附情况,d为聚醚醚酮组24h细胞粘附情况;b为实施例1中硅酸钙/聚醚醚酮复合材料PEEK45组12h细胞粘附情况,e为PEEK45组24h细胞粘附情况;c为实施例2中硅酸钙/聚醚醚酮复合材料PEEK50组12h细胞粘附情况,f为PEEK50组24h细胞粘附情况。结果表明,两种硅酸钙/聚醚醚酮复合材料(PEEK45、PEEK50)表面均有细胞粘附和增殖,但PEEK50复合材料组粘附的细胞数量更多且具有更好的粘附形态,表明其具有更好的细胞相容性。

效果实施例6

细胞分化实验:对实施例1和2制得的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行细胞分化实验,其中样品直径为10mm,厚度为2mm。

细胞分化实验的具体方法如下:

采用碱性磷酸酶(ALP)测试盒,研究细胞在材料上的分化情况。先用环氧乙烷将样品进行消毒灭菌,然后放入24孔板内,在材料表面接种2.5×104个细胞/mL的MC3T3-E1细胞。采用ALP染色观察细胞在材料表面培养7、10和14天后的分化情况,细胞培养的过程中,每隔两天重新换一次细胞培养液。在对应的时间,吸去孔板中的培养基,然后用PBS缓冲液清洗孔三次。

在放有材料的孔中加入500μL浓度为1%的乙基苯基聚乙二醇溶液,以获得细胞裂解液。裂解完成之后,把1mg/mL的P-硝基苯磷酸盐溶液在每孔加入50μL,室温下经过15min后,通过添加100μL的0.1M的NaOH溶液终止反应。最终用酶标仪在405nm的波长处测量孔中的OD值,并按照OD值计算细胞的ALP活性。以不添加硅酸钙的PEEK材料样品为对照组。结果见图8。

从图8中看出,随着细胞培养时间的延长,三种样品上的细胞ALP活性都逐渐增强。总体而言,PEEK50复合材料的细胞分化活性最高,PEEK45次之。PEEK材料的细胞分化活性最低。所以,随着硅酸钙的加入,复合材料对细胞的分化有良好的促进作用。

效果实施例7

动物植入实验:对实施例1和2制得的硅酸钙/聚醚醚酮复合材料进行动物植入实验,其中样品直径为4mm,高度为6mm,将复合材料植入狗股骨缺损处。在植入12周后,收集缺损部位,做进一步分析。

(1)利用Micro-CT扫描成像,得到缺损部位12周后,植入物周围新骨生长情况(图9,a/b/c为植入物周围新生骨组织3D图像;d/e/f为植入物与周围原位骨结合情况2D图像)。从图9可以看出,相比于PEEK组(a,d),PEEK45(b,e)与PEEK50(c,f)复合材料组周围的新生骨更多,并且与周围原位骨组织结合更为紧密。PEEK50组结合程度最高,表现出最好的骨整合性能。

(2)新生骨量分析

在Image-Pro Plus 6.0系统下对Micro-CT 3D新生骨量进行统计,可得到每个植入物周围的新生骨量,统计结果见图10。结果表明,12周后,PEEK45与PEEK50组新生骨量最多,并且两组样品新生骨量相差不多;PEEK组最少,表明本发明复合材料在体内可以有效促进周围新生骨再生。

(3)拔出强度测试

将骨缺损区域固定在特制模具上,使用万能试验机进行拔出测试。以5mm/min的速度垂直方向拔出,记录全过程的拔出曲线,至螺钉被拔出10mm,曲线的最高峰即为最大拔出力,结果见图11。从图11中可以看到,PEEK45与PEEK50组在植入12周后,与原位骨结合更加紧密,表现为最大拔出力明显比PEEK组高,表明本发明复合材料可以提高植入与原位骨的结合程度。

本发明通过在PEEK中复合生物活性材料微米硅酸钙,获得了力学性能优良、同时骨生物活性显著提高的CS/PEEK复合材料,为生物活性骨修复或替代材料的制备提供了重要实验基础。生物活性CS/PEEK复合骨修复材料,植入后诱导骨组织再生,促进融合,并具有人骨生物力学特性。

以上为对本发明实施例的描述,通过对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

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