一种碳纤维复合材料人工气管支架的制作方法

本实用新型涉及一种人工气管支架，特别涉及一种由碳纤维复合材料构成的具有连续结构的人工气管支架，属于生物结构修复技术领域。

背景技术：

临床上因肿瘤、外伤等导致较长气管的切除，采用人工材料进行重建已成为必然趋势。但是，由于气管组织环境的复杂性对替代物要求较多，对人工气管材料提出了诸多挑战，如移植于体内无法与机体达到生物学融合固定，端口连接不当而伴发脱落、泄漏、狭窄或梗塞等，在呼吸过程中的气管扩张与收缩功能复原等。

现有技术中，中国专利(cn100428919c)公开了一种人工气管，以聚四氟乙烯多孔气管假体作为气管主体，结合钛环实现端部连接。钛环与自体骨存在较大的弹性模量差异，将导致自体组织的萎缩而导致吻合口裂开。中国专利(cn105056302b)公开了一种人工气管，其采用的是3d打印制成镂空管状的定型结构，也面临着端部固定的问题，同时也无法实现呼吸过程中的气管扩张与收缩。中国专利(cn105055060b)公开了一种采用聚己内酯(pcl)为c型环的气管支架。其存在pcl降解后气管的管状结构消失后减弱而带来的继续狭窄或失效。

技术实现要素：

针对现有技术中的人工气管支架存在的缺陷，本实用新型的目的是在于提供一种碳纤维复合材料人工气管支架，该气管支架由碳纤维/碳复合材料构成，具有良好的生物相容性和力学性能，且与软骨具有相类似的弹性模量，在与自体气管端口接合时，生物力学性能吻合度高，可实现生物学固定，特别是其类似于气管软骨环结构，通过c形开口，在呼吸过程中可收扩，满足生理学功能，且具有连续的镂空管状结构，稳定性好，具有轴向伸缩性能。

为了实现上述技术目的，本实用新型提供了一种碳纤维复合材料人工气管支架，其由多个c形气管支架单元通过c形气管支架单元的两端按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构；所述c形气管支架单元的主体为u形或梨形的带状结构；所述带状结构由碳纤维/碳复合材料基体及其表面的碳涂层构成。

作为一个优选的技术方案，所述c形气管支架单元的两端分别为首端和尾端，第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的尾端连接，第二个c形气管支架单元的首端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，或者，第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的首端连接，第二个c形气管支架单元的尾端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构。c形气管支架单元为对称结构，指定其任意一端为首端，另一端为尾端，c形气管支架单元之间按照“-首尾-首尾-首尾-”的方式固定连接或者按照“-首尾-尾首-首尾-”的方式固定连接成连续结构，在管轴上提供支撑，可为前期修复时提供支架整体协调性及提高稳定性，且赋予了更好的伸缩支撑性能。且c形气管支架单元按照z形或v形组装，可实现人体活动中轴向的伸缩支撑。

作为一个优选的技术方案，由4～20个c形气管支架单元通过c形气管支架单元的两端按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，且相邻两个c形气管支架单元之间的节距为5mm～15mm。c形气管支架单元的个数根据实际需要来进行组装。

作为一个优选的技术方案，所述带状结构厚度为0.5mm～2.0mm，宽度为3mm～10mm。其厚度设计接近于气管壁厚，而宽度设计有利于根据实际需要组装成实际长度。

作为一个优选的技术方案，所述带状结构壁上设有若干固定孔。有利于人工气管支架在实际应用过程中在组织上的固定。

作为一个优选的技术方案，所述固定孔的孔径大小为0.5mm～2.0mm。

作为一个优选的技术方案，所述碳纤维/碳复合材料基体由碳纤维织物及其内部的碳基体构成(碳基体分布在碳纤维表面和填充在碳纤维之间)。

作为一个优选的技术方案，所述碳纤维织物具有辫状结构，辫状结构具有优异的力学性能。

作为一个优选的技术方案，所述碳涂层为热解碳涂层和/或类金刚石涂层。该碳涂层硬度高，摩擦系数小，不仅不易破损，而且可阻断碳基颗粒的脱落，避免黑肤效应。

作为一个优选的技术方案，所述带状结构的两端带耳或不带耳，带状结构两端的耳截面为圆形、水滴形或椭圆形或其他不规则形状。

本实用新型提供的碳纤维复合材料人工气管支架可以由多个c形气管支架单元通过c形气管支架单元的两端按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，根据用途不同选择不同数量的c形气管支架单元构建不同长度，可用于与自体气管组织端部搭接固定或者可用做人工气管的软骨环。

本实用新型提供的碳纤维复合材料人工气管支架中碳纤维质量百分比含量为60％～80％，碳基体质量百分比含量为20％～40％。

本实用新型提供的碳纤维复合材料人工气管支架c形单元及人工气管支架的制备方法，包括以下具体步骤如下：

1)将复数根(如1k(k表示一千根)、1.5k、3k、6k)碳纤维编织成碳纤维辫(具体如直接采用至少两束碳纤维束织成碳纤维辫，或者先将至少两束碳纤维束加捻成碳纤维绳，再将碳纤维绳织成碳纤维辫)，再将碳纤维辫通过模具辅助制成截面为u形、梨形的碳纤维预制体；

2)将碳纤维预制体经化学气相沉积和/或液体浸渍增密，制成所需要的碳纤维复合材料c形人工气管支架单元坯体；

化学气相沉积增密基体碳的过程为：将碳纤维预制体置于沉积炉中，在850℃～1300℃温度下，通入的含碳气源，沉积10h～100h；浸渍-裂解增密基体碳的过程为：将碳纤维预制体依次经过树脂或沥青真空加压浸渍、固化和裂解处理；浸渍压力为1.0mpa～5.0mpa，浸渍时间为2h～10h；固化温度为160℃～230℃，固化时间为10h～50h；树脂裂解温度为900℃～1050℃，压力为常压，裂解时间为2h～20h；沥青裂解温度为750℃～850℃，压力为50mpa～200mpa，裂解时间为2h～20h；

3)对c形人工气管支架单元坯体进行机加工，进行包括切割端部或加工固定孔等，孔径大小0.5mm～2.0mm，其中，固定孔可在碳纤维预制体制备过程中进行预留，可有效避免后期加工中去除对c形人工气管支架增强体的损伤带来的力学性能变差；

4)将机加工后的c形人工气管支架单元坯体放入高温炉中，在真空或保护气氛条件下加热进行除杂(此步骤可根据需要选择采用)，其中条件为：温度1500℃～2300℃，保温1h～10h；

5)将碳纤维复合材料c形人工气管支架单元坯体表面制备热解碳涂层或/和类金刚石涂层后得到碳纤维复合材料c形人工气管支架；所述热解碳涂层通过化学气相沉积生成，生成条件：采用气体碳源(如天然气、甲烷、丙烯等常见的气体碳源)，在900℃～1500℃温度下沉积10h～50h；所述类金刚石涂层通过磁控溅射生成，生成条件：真空度为1×10^-1pa～5×10^-1pa；工件负偏压为10v～200v；ar流量为50sccm～120sccm；石墨靶功率为1kw～3kw，纯度不低于99.99wt％；加热温度为80℃～200℃；沉积时间为10min～180min；或者，所述类金刚石涂层通过等离子增强化学气相沉积生成，生成条件：真空度为1×10^-1pa～5×10^-1pa；工件负偏压为10v～200v；ar流量为50sccm～120sccm；离子源功率为0.5kw～5kw；烃类气体(如ch4、c2h2等)流量为10sccm～500sccm；加热温度为80℃～300℃；沉积时间为10min～180min(或者先化学气相沉积生成热解碳涂层，再磁控溅射或等离子增强化学气相沉积生成类金刚石涂层，如此制备复合涂层)。

6)将多个c形气管支架单元组装成人工气管支架，将c形气管支架单元按以下方式进行组装：第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的尾端连接，第二个c形气管支架单元的首端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，或者，第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的首端连接，第二个c形气管支架单元的尾端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构(连接方式采用固定连接)；z形或v形主要是根据c形气管支架单元与其中心轴线的角度不同，具体如第一个c形气管支架单元垂直于其中心轴线，第二个c形气管支架单元与中心轴线夹角45°，第三个c形气管支架单元垂直于其中心轴线，依此类推，得到z形人工气管支架。

相对现有技术，本实用新型带来的有益技术效果：

1)本实用新型提供的人工气管支架由碳纤维/碳复合材料构成，强度高，不降解，具有良好的支持性能，耐长久性。

2)本实用新型提供的人工气管支架具有连续结构，稳定性好，且具有轴向伸缩功能。

2)本实用新型提供的人工气管支架具有与软骨相类似的弹性模量，在与气管端口接合时，生物力学性能吻合度高，可实现生物学固定。

3)本实用新型提供的人工气管支架表面高孔隙度，有利于组织附着，而且内部联通的空隙可便于血供。

4)本实用新型提供的人工气管支架具有类似于气管软骨环，通过c形开口，在呼吸过程中可收可张，满足生理学功能。

5)本实用新型提供的人工气管支架两端端口耳形可避免刺激周围组织，也可增大端口承力面积。

6)本实用新型提供的人工气管支架具有良好的生物相容性。

7)本实用新型提供的c形气管支架表层硬度高，摩擦系数小，不仅不易破损，而且可阻断碳基颗粒的脱落，避免黑肤效应

8)本实用新型提供的人工气管支架力学性能优异：拉伸强度大于90mpa，拉伸模量3gpa～8gpa，截面收张变形量0～50％。

附图说明

图1为带耳的u形带状结构的c形气管支架单元侧视图；

图2为带耳的梨形带状结构的c形气管支架单元侧视图；

图3为不带耳的u形带状结构的c形气管支架单元侧视图；

图4为带耳的u形带状结构的c形气管支架单元构成的z形人工气管支架俯视图；

图5为带耳的u形带状结构的c形气管支架单元构成的z形人工气管支架立体图；

图6为带耳的u形带状结构的c形气管支架单元构成的v形人工气管支架俯视图；

图7为带耳的u形带状结构的c形气管支架单元构成的v形人工气管支架立体图；

图8为碳纤维/碳复合材料人工气管支架横截面示意图；

其中，1为c形气管支架单元的耳，2为u形带状结构，3为梨形带状结构，4为固定孔，5为碳纤维/碳复合材料基体，6为碳涂层。

具体实施方式

以下具体实施例旨在进一步结合附图对本实施内容进行具体说明，本实用新型保护范围不受具体实施例限制。

本实用新型提供的碳纤维复合材料人工气管支架如图1～图8所示。碳纤维复合材料人工气管支架由多个c形气管支架单元通过c形气管支架单元的两端按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，c形气管支架单元的数量根据实际气管修复需要确定，可以构建不同长度人工气管支架，一般c形气管支架单元在4～20个(如图4为13个单元，图6为12个单元)，所述c形气管支架单元的两端是对称结构，指定一端为首端，另一端为尾端，第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的尾端连接，第二个c形气管支架单元的首端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，或者，第一个c形气管支架单元的尾端与第二个c形气管支架单元的首端连接，第二个c形气管支架单元的尾端与第三个c形气管支架单元的首端连接，依此类推，多个c形气管支架单元按照z形或v形顺次连接组装形成连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构，按两种方式组装的碳纤维复合材料人工气管支架结构是一致的。通过调节c形气管支架单元与其中心轴线的角度可以分别获得不同结构的碳纤维复合材料人工气管支架，如第一个c形气管支架单元与其中心轴线垂直，第二个c形气管支架单元与其中心轴线呈现45°夹角，第三个c形气管支架单元与其中心轴线垂直，依此类推，组装获得是z形碳纤维复合材料人工气管支架，如图4和图5结构所示，在实际组装过程中，与中心轴线垂直组装的c形气管支架单元的尺寸稍小于与中心轴线呈现45°夹角组装的c形气管支架单元，能够保证获得半径大小均匀的连续的侧壁带有轴向缺口的镂空管状结构。又如第一个c形气管支架单元与其中心轴线呈现45°，第二个c形气管支架单元与其中心轴线呈现反向45°夹角，第三个c形气管支架单元与其中心轴线呈现45°，依此类推，组装获得是v形碳纤维复合材料人工气管支架，如图6和图7结构所示，c形气管支架单元与其中心轴线的夹角可以根据实际情况进行调节，一般保证相邻两个c形气管支架单元之间的节距为5mm～15mm范围内。c形气管支架单元的主体为u形2或梨形3的带状结构，带状结构厚度约1.0mm，宽度约为6mm，带状结构两端带耳1或不带耳(图3)，耳为圆形(如图2)或者水滴形(如图1)等，端口的耳形可避免刺激周围组织，也可增大端口承力面积。所述带状结构的壁上设有若干固定孔，固定孔沿带状结构均匀分布，固定孔的数量根据使用需要来确定，固定孔的孔径大小约为1.0mm，相邻两个c形气管支架单元之间也通过固定孔来实现连接。所述c形气管支架单元由碳纤维/碳复合材料基体5及其表面的碳涂层6构成，碳涂层如热解碳涂层或类金刚石涂层或两者的复合涂层。所述碳纤维/碳复合材料基体由辫状结构的碳纤维织物及其碳纤维表面和碳纤维之间的碳基体构成，碳纤维织物与碳基体的质量比约为7:3。