专利名称：骨修复用可吸收性复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制备高强度复合材料的方法，这种复合材料可用于人体内承力骨及非承力骨的修复，并能在体内逐渐降解为无毒物质，降解产物随人体代谢循环而排出体外。
国外有用化学合成的聚乳酸、聚乙交酯等作为可降解性骨修复材料的报道。本发明所用的可降解塑料为聚羟基脂肪酸酯(PHA)，它是由多种微生物合成的生物可降解塑料，它以可再生的生物资源为原料，在生态环境中会完全降解为水和二氧化碳。几种重要的聚羟基脂肪酸酯有聚羟基丁酸酯(PHB)、聚羟基丁酸-羟基戊酸酯(PHB-HV)、聚羟基丁酸-羟基己酸酯(PHB-HH)等。以PHB为基体、通过本发明所述的方法增强所得的复合材料具有完全的生物可降解性，良好的生物相容性，可以调节的降解速率并具有足够的力学强度。其中聚羟基丁酸酯还其有独特的压电性，能刺激骨骼的生长。这种可吸收性复合材料能克服传统的金属及其合金或陶瓷为主体的骨折内固定装置的诸多不足，如金属或陶瓷的刚度与骨骼的刚度相差很大，破坏了骨骼愈合过程中正常的应力环境，阻碍了骨痂的形成以及金属材料的腐蚀引起的炎症反应及需进行二次手术加以取出等。本发明所制得的复合材料同时也能弥补单纯的以聚乳酸或聚乙交酯为基体制备的复合材料降解速率快的不足，其有适当的可以调节的降解速度。同时由于本发明所使用的原料不像聚乳酸或聚乙交酯依赖于石油工业，而是以可再生的生物资源为原料，在能源日益紧张的今天具有其无可比拟的优势。
本发明的目的是提出一种骨修复用可吸收性复合材料的制备方法，使用微生物合成的生物可降解塑料为基体，同时经过自增强而获得高强度高模量的复合材料。
本发明提出的骨修复用可吸收性复合材料的制备方法，其原料为聚羟基丁酸酯(以下称PHB)或聚羟基丁酸-羟基戊酸酯(以下称PHB-HV)或聚羟基丁酸-羟基己酸酯(以下称PHB-HH)或其中两种或三种的混合物为基体，基体高聚物在复合材料中的含量在50～100wt％；各种添加剂(1)表面活性生物陶瓷羟基磷灰石(以下称HA)粉，其在复合材料中的含量为0～50wt％，以增加复合材料的生物相容性及骨传导性；(2)成核剂如NH4Cl或滑石粉，其在复合材料中的含量为0～1％，以改进材料的结晶性及力学性能；(3)降解速率调节剂如聚乳酸(以下称PLA)或聚乙交酯(以下称PGA)或聚己内酯(以下称PCL)，其在复合材料中的含量为0～15wt％。
本发明的制备过程如下1、通过挤出装置将一种微生物合成的生物可降解塑料或这种生物可降解塑料与上述的添加剂的混合物挤出成型制备得直径为4-6mm的预备料。挤出温度为100-180℃。
2、在聚合物的玻璃化转变温度Tg-熔点Tm的温度范围之间，将上述第1步所得预备料由图1所示模具的较大的空腔通过一个锥形口模压入一个转小的空腔。其中锥形口的小端与大端的直径比为2/3到1/6。压力范围为30MPa-300MPa，加工温度为40-120℃。
3、将进入小空腔的料迅速冷却至室温，取出成型后的材料，即为本发明的骨修复用可吸收性复合材料，再通过其它的加工手段将所得的材料加工成所需的形状。
经过以上三步就得到了用于骨修复的可吸收性复合材料，最终所得的材料形状可以是棒状、板状、钉状、螺钉状等各种形状。
本发明所制得的骨修复用可吸收性复合材料的主要优点如下(1)这种复合材料具有完全的生物可降解性、良好的生物相容性，于体内使用无毒无副作用。
(2)这种复合材料因为分子的取向从而具有足够的力学强度，并且在骨骼愈合过程中逐渐降解，达到与骨骼的力学强度相匹配，保持骨骼愈合过程中正常的应力环境。
(3)这种复合材料能在体内完全降解，骨骼愈合后不需二次手术将其取出。
图1为用固态挤出法制备本发明的复合材料的模具。
图1中，1为活塞，2为上模中的空腔，3为上模，4为预备料，5为锥形口模，6为下模，7为下模中的空腔。
将预备料4放入上模的空腔2中，通过活塞1连续或间隙的加压，在低温下将预备料通过锥形口模5压入下模6的空腔7中，分离上模和下模，取出成型后的材料，再进行加工，最终得到所需形状。再进行后加工。
本发明所使用的对材料进行自增强的方法称为固态挤出法。所谓的固态挤出法，即在聚合物的熔点Tm以下，玻璃化转变温度Tg以上，在一定的高压下让聚合物通过一个带有锥形口模的模具，实现聚合物分子链的取向，从而获得力学性能优异的复合材料的一种方法。本发明所述的较低的成型加工温度范围Tg-Tm，能防止加工过程中材料自身的降解行为，并且在加工过程中分子链的这种取向易于被固定，从而获得经过自增强的高强度高模量的复合材料。
下面介绍本发明的实施例。
实施例一1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在100MPa的压力下于60℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例二1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在180℃将PHB粉(50wt％)和HA粉(50wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在300MPa的压力下于120℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例三1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在172℃将PHB粉和成核剂氯化铵(0.2wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于70℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例四1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在174℃将PHB粉(90wt％)、HA粉(10wt％)和成核剂氯化铵(0.4wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于80℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例五1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在175℃将PHB粉(80wt％)、HA粉(20wt％)和成核剂氯化铵(0.6wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在200MPa的压力下于90℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例六1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在176℃将PHB粉(70wt％)、HA粉(30wt％)和成核剂氯化铵(0.8wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在250MPa的压力下于100℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例七1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在178℃将PHB粉(60wt％)、HA粉(40wt％)和成核剂氯化铵(1wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在300MPa的压力下于110℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例八1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(95wt％)、PLA(5wt％)和成核剂滑石粉(0.2wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在100MPa的压力下于60℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例九1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(80wt％)、PLA粉(10wt％)、HA粉(10wt％)和成核剂滑石粉(0.4wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于80℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(70wt％)、PLA粉(15wt％)、HA粉(15wt％)和成核剂滑石粉(0.6wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于90℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十一1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(80wt％)、PGA粉(5wt％)、HA粉(15wt％)和成核剂滑石粉(0.8wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在200MPa的压力下于100℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十二1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(80wt％)、PGA粉(10wt％)、HA粉(10wt％)和成核剂滑石粉(1wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在200MPa的压力下于100℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十三1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在172℃将PHB粉(60wt％)、PGA粉(15wt％)、HA粉(25wt％)和成核剂滑石粉(1wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在200MPa的压力下于100℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十四1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(95wt％)、PCL(5wt％)和成核剂滑石粉(0.2wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在100MPa的压力下于60℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十五1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(80wt％)、PCL粉(10wt％)、HA粉(10wt％)和成核剂滑石粉(0.4wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于80℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十六1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在170℃将PHB粉(70wt％)、PCL粉(15wt％)、HA粉(15wt％)和成核剂滑石粉(0.6wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在150MPa的压力下于90℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十七1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在100℃将PHB-HV粉注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在30MPa的压力下于60℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十八1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在105℃将PHB-HV粉(80wt％)、HA粉(20wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在50MPa的压力下于50℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例十九1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在110℃将PHB-HV粉(60wt％)、HA粉(40wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在80MPa的压力下于40℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例二十1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在130℃将PHB-HH粉注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在30MPa的压力下于90℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例二十一1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在130℃将PHB-HH粉(80wt％)、HA粉(20wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在60MPa的压力下于80℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例二十二1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在132℃将PHB-HH粉(60wt％)、HA粉(40wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在90MPa的压力下于70℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
实施例二十三1、用CS-183MMX Mini-Max型注塑机在135℃将PHB-HH粉(50wt％)、HA粉(50wt％)的混合物注塑成为Φ4的圆柱形样条。
2、将此样条置于图1所示的上模的空腔中，在120MPa的压力下于60℃将其挤出到下模的空腔中。
3、将模具冷却至室温并取出挤出后的样条。
权利要求
1.一种骨修复用可吸收性复合材料的制备方法，其特征在于，该方法所用的原料为聚羟基丁酸酯、聚羟基丁酸-羟基戊酸酯或聚羟基丁酸-羟基己酸酯中的两种或三种的混合物为基体，基体高聚物在复合材料中的含量为50～100wt％；表面活性生物陶瓷羟基磷灰石粉，其在复合材料中的含量为0～50wt％，成核剂为NH4Cl或滑石粉，其在复合材料中的含量为0～1％，降解速率调节剂为聚乳酸或聚乙交酯或聚己内酯，其在复合材料中的含量为0～15wt％；其制备过程为(1)通过挤出装置将高聚物基体和其它添加剂以上述比例混合，挤出成型制备成直径为4-6mm的预备料，挤出温度为100-180℃(2)在聚合物的玻璃化转变温度Tg-熔点Tm的温度范围之间，将上述第1步所得的预备料从较大的空腔通过一个锥形口模压进一个较小的空腔，其中锥形口的小端与大端直径之比为2/3到1/6，压力为30MPa-300MPa，加工温度为40-120℃；(3)将进入小空腔的料迅速冷却至室温，取出成型后的材料即为本发明的骨修复用可吸收性复合材料。
全文摘要
本发明涉及一种骨修复用可吸收性复合材料的制备方法,其原料为高聚物基体及各种添加剂、成核剂和降解速率调节剂,通过挤出装置将各种原料的混合物挤出成型制备得预备料,在聚合物的玻璃化转变温度范围内,挤压成型,迅速冷却至室温即为本发明的复合材料。本发明具有完全的生物可降解性、良好的生物相容性,于体内使用无毒无副作用,具有足够的力学强度,并且在骨骼愈合过程中逐渐降解,保持骨骼愈合过程中正常的应力环境。
文档编号A61L31/12GK1267554SQ00106168
公开日2000年9月27日 申请日期2000年4月28日 优先权日2000年4月28日
发明者胡平, 江涛 申请人:清华大学