专利名称：：一种植入级聚醚醚酮的制备方法
技术领域：
：本发明涉及一种植入级材料的制备方法，具体地说是一种植入级聚醚醚酮的制备方法，特别适合于制备聚醚醚酮椎间融合器。
背景技术：
：英国INVIBIO公司生产的植入级聚醚醚酮材料(PEEK-0PTIMAtm)，在临床应用中有着非常显著的材料优势。包括极高的强度、刚性、抗磨损性，热压下抗老化性，抗蠕变性，抗疲劳性，抗腐蚀性和水解性等等，可以完全胜任各种复杂的、厚薄不均的小巧形状的医用植入件的苛刻要求。其次，聚醚醚酮的弹性模量与骨十分接近，优于其他任何材料，可以很快与组织融合。再次，聚醚醚酮可透X光、在核磁共振检査时，即使脊椎融合部分，也能清晰分辨出周围组织结构。此外，按照美国FDA对体内植入产品的要求所进行的大量临床试验表明聚醚醚酮材料没有引起组织排异反应，皮质和骨质生长良好，能产生很好的治疗效果，没有发生与聚醚醚酮有关的并发症，不引起过敏，也不引起染色体变异。结论是聚醚醚酮具有高效生物相容性，非常适合作植入材料，可长期置放于体内。由于具有以上优异特性，聚醚醚酮成为目前唯一通过FM和CE认证的用于脊椎的临床植入材料。目前，英国INVIBIO公司可提供植入级聚醚醚酮粒料和聚醚醚酮棒料，其价格极其昂贵。用粒料加工，可降低成本，提高效率。为了寻求将聚醚醚酮粒料加工成人体骨缎体制件的方法，许多公司做了大量的尝试，但都以失败而告终。如为了将聚醚醚酮粒料加工承所需形状，人们尝试过采用注塑法进行加工。但实践证明，该方法是不可行的。因为1、聚醚醚酮熔点高、熔体具有高剪切粘性，使得螺杆螺桶的表面金属极快磨损，磨损的金属粉末混入物料，污染工件，严重影响椎间融合器的安全性；2、聚醚醚酮是半结晶材料，注塑法冷却快，得不到充分结晶，强度低；3、聚醚醚酮是易降解材料，注塑法螺桶容量较大，难于保证不出现降解。人们也尝试过采用模压成型法加工聚醚醚酮粒料的方法，如，中国专利局2005年3月16日授权公告的发明名称为"一种聚醚醚酮全髋骨骨头假体材料及其制备方法"，申请号为200410025391.9的发明专利，该专利所述的聚醚醚酮全髋骨骨头假体材料是由聚醚醚酮和碳纤维合成的复合材料，其制备方法为先将复合材料在高速混合机中进行预混合，然后用螺杆挤出机高温混炼、挤出、造粒，将造粒材料放入模具中，合模后放入压机，由室温升至400。C，加压2050MPa，保温保压13小时，然后以1030°C/min的降温速率从40(TC降至300°C，而后立即风冷，当温度降至13014(TC范围内时脱模。该方法存在如下问题1、其保温保压时间控制在13小时，经实际检测表明，制件已降解，其强度和塑性都不可能满足植入级的要求；2、其混合料在挤出机中高温混炼、挤出。由于聚醚醚酮熔点高、熔体具有高剪切粘性，在混炼挤出过程中，将使螺杆螺桶的表面金属极快磨损。加入碳纤维，磨损情况更加严重。磨损物——重金属粉状物将混入混合料，这对人体植入制件是绝对不允许的。3、加工设备与加工环境都未考虑防污染问题。因此，目前聚醚醚酮椎间融合器的加工方法，几乎都是以棒料加工成型。目卩，聚醚醚酮棒料通过数控铣床等机械设备加工成所需形状。但这种机械加工方法又存在如下缺点1、加工过程中的冷却液、工件、夹具和刀具的长期接触以及机械加工的非fe净环境都可能成为污染的来源；2、大部份昂贵的材料成为切屑报废(为防污染，切屑不能再生使用)，因而成本极高；3、加工件表面光洁度差；4、生产效率低。
发明内容本发明的目的意在克服上述现有技术的不足，提供一种用粒料加工的高强度、高塑性的植入级聚醚醚酮的制备方法。实现上述目的的技术方案一种植入级聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤步骤一、将称量的聚醚醚酮颗粒装入模具中；步骤二、将模具及其中的聚醚醚酮升温至烙融态；步骤三、在熔融态下加压10-60MPa;步骤四、在保持步骤三所述压力状态下冷却聚醚醚酮，使聚醚醚酮充分结晶，且聚醚醚酮于熔融态的持续时间《30分钟，所述熔融态的持续时间是指从粒料加热至熔化温度时开始计算，累计其升至最高温度的时间、保温时间及其后冷却至结晶完结时的总时间；步骤五、对冷却后的模具脱模。所述步骤二是将聚醚醚酮升温至340-410°C，优选380-400°C，更优选390°C。所述步骤三的加压10-60MPa是使聚醚醚酮的颗粒状边界消除;优选加压30-60Mpa;更优选加压45-60Mpa。所述步骤四的冷却速度《60。C/分，优选《4(TC/分。所述步骤四聚醚醚酮于熔融态的持续时间《22分钟。所述步骤二还进一步包括保温的步骤，使得模具与模具内的聚醚醚酮的内外温度相同。所述保温的时间为2-3分钟。步骤一是在10，000级的洁净室中进行，其它各步骤是在100，000级洁净室中进行。所述的模具选用高红硬性高耐热钢材料，经淬火后，于400-41(TC中回火，硬度不低于Rc.40。更优选地，硬度不低于Rc.50，所述模具在使用前，先用蒸馏水和化学纯乙醇清洗。上述制备方法作为聚醚醚酮椎间融合器的制备方法的应用。采用上述技术方案，结合下面将要详述的实施例，本发明的技术效果在于1、聚醚醚酮既不会降解，又能充分结晶，保证了人体使用时的安全性；2、强度高(见图2、表1)、弹性极限力大(表2)，满足人体椎间融合器的高强度和高塑性要求。3、生产成本低。提供了一种具有临床实用意义的人体植入级椎间融合器产品。图1是按照实施例所述方法加工出的聚醚醚酮椎间融合器腰前路照片。图2是图1产品的应力一应变曲线。图3是制件图1产品经高负荷压縮后的形态照片。图4是制件图1产品的聚醚醚酮原料的光谱分析对照图谱。图5是制造出图1产品的光谱分析对照图谱。图6是加热温度385-39(TC时制件的压强与断裂强度的关系曲线。图7是热分析曲线。图8是压力分析曲线。具体实施例方式一种聚醚醚酮椎间融合器的制备方法，包括如下步骤步骤一模具选用高铬中碳耐热钢，淬火后于400-41(TC回火，硬度>Rc.40。使用前用蒸馏水和化学纯乙醇超声波清洗，而且置于十万极洁净室中再清洗，干燥后置于一万级洁净箱中装料。步骤二将模具及其内的聚醚醚酮快速升温至390°C。从34(TC加热至39(TC的时间为颈前路《4分钟，腰后路《4分钟，腰前路《6分钟，保温颈前路2分钟，腰后路2分钟，腰前路3分钟。步骤三保温后加压，使聚醚醚酮的颗粒状边界消除。压强颈前路50Mpa，腰后路50Mpa，腰前路30Mpa。步骤四在保持压力状态下冷却。从高温冷却至结晶固化结束历经时间为颈前路5分钟，腰后路5分钟，腰前路6分钟。在聚醚醚酮加热、冷却过程中，熔融态持续时间为颈前路《11分钟，腰后路《11分钟，腰前路《15分钟。步骤五将模具冷却至18(TC脱模。图1所示是按照上述方法加工成形后的腰前路聚醚醚酮椎间融合器的实物照片。图2为图l产品的应力一应变曲线，前端为弹性变形区，其弹性极限力达48750N，弹性极限强度111.8Mpa。向上为屈服及塑性变形区，其屈服力达63750N，强度达146.2MPa。再往上，由于制件变形量加大，受压面积加大，曲线反弓急剧向上，变形量减小。以上试验结果表明，本实施例产品获得了良好的强度，不但弹性极限强度，屈服强度极高，其可塑性也极高。如图3所示是图1产品在承受了95000N的压力(相当于压强217.9Mpa)后才出现了大比率变形，高度由13薩压縮为9丽，长度由35丽伸长至41.5醒，宽度由22醒变为27麗，但只出现了轻微裂纹。表1是通过实验测得的按照上述方法加工出的颈前路、腰前路和腰后路聚醚醚酮椎间融合器产品的抗破裂力及强度值表，从表l可以看出，本实施例加工出的聚醚醚酮椎间融合器，获得满意的高强度，其强度值远远超过110Mpa的要求。表2为上述产品的弹性极限力及弹性极限强度值。所谓弹性极限力，即制件未产生塑性变形之前所承受的极限力。椎间融合器在使用过程中是不允许产生塑性变形的，所以其在不产生塑性变形条件下所能承受的最大力，是比破裂强度更为重要的技术指标。从表2所测得的弹性极限力可见，上述产品的弹性极限力远远超过脊椎可能承受的最大力。表l:制件抗破裂力及强度<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>图4是图1产品的聚醚醚酮原料的光谱分析对照图谱，图5是制造出的图1产品的光谱分析对照图谱(检测单位:深圳市计量质量检测研究院)。在图5中，对可能造成的污染物，如模具、刀具的磨损物Fe、Cr、W，空气中的Si、Al，水中的Ca、Mg等元素进行了检测，结果没有出现任何元素的光谱峰，说明制件(产品)是未受污染的。与图4所示原料的光谱图进行对比，两者完全相同，都是"一片空白"，未出现污染元素光谱波。表明按照本实施例方法制备的产品未受到任何污染，符合人体所需的无污染要求。需要说明的是，以上实施例只是本发明的优选实施方式之一，不能因此认定本发明只局限于此实施方式。例如关于模具为防磨损，选用高红硬性高耐热钢制作。高红硬性即要求淬火后经400-41(TC回火，硬度应达Rc.50，最低为Rc.40。高耐热性即要求高温下，钢材表面生成致密氧化物保护膜，防止底层再氧化。为此可选用合碳0.3-0.4。/。的高Cr系(含(》13%，最好达18%)或Cr-w系耐热钢。关于防污染原则是全面防污染。为防模具污染，选用高红硬性耐热钢制造；为防机加工污染，刀具选用硬质合金或人造金刚石制品；夹具避免用金属，宜选用无毒有机物制作，加工过程避免采用液体冷却剂；为防清洗液及水污染，只能用蒸馏水与化学纯乙醇清洗模具与制件；为防空气污染，加工过程在100，000级洁净室进行；为更慎重防污，称料及装料两工序在IO，OOO级洁净柜中进行；为防洗擦物污染，只准用聚乙烯擦及无尘布，无尘纸作洗擦物。关于工艺参数1、加热温度和压力压力与温度相辅相承，压力大，温度要求低；反之，若压力小，温度要求高。若只是为了成形，只需加温至340-350°C，压强10Mpa已足够，但强度不高。为了解聚醚醚酮颗粒在加热加压过程中的形态变化及其对性能的影响，申请人做了加热温度从34(TC至43(TC、压强10Mpa-70Mpa的系统试验。结果发现，即使将聚醚醚酮颗粒加热至430°C，成为高温熔融液，仍保持半球型的颗粒状。对加热温度较低的制件，即使施以足够大压力，仍可见大量完整粒状边界(用放大镜观察)，而且颗粒边界似存在一层障碍颗粒间互熔的"薄膜"，它在边界周围显淡棕色，与颗粒心部的浅灰色明显色差。这种制件，经"抗压试验"(试样的实际应力状态的近似弯曲试验)，强度低，约88Mpa即脆性断裂，其应力应变曲线上无塑性变形区，是一种完全的脆性材料，不适合椎间融合器的要求。可见，消除聚醚醚酮熔融颗粒之间的烙合障碍，仍获得高性能融合器的关键之一。系统试验证明，高温高压是消除此障碍的有效办法。加热温度提升至380385。C以上，淡棕色圈消除，但当压强为25-30Mpa时，制件仍能见到部分颗粒状边界。然而，此时的应力应变曲线，已出现塑性变形区，试样不再脆断，强度也明显提高。温度再提高，压强再增大，颗粒边界减少，直至消除，强度与塑性再提高。如，加热温度提升至38(TC、压强为37Mpa时，测得的的强度值为127.16Mpa，已可满足所需的强度要求。图6为实测的加热温度385-39(TC制件压强与断裂强度的关系。可见压强大，强度明显提高，而且所得的强度值大大超过要求的110Mpa值。当加热温度达390°C。压强达55Mpa时，制品表面的颗粒状边界消除，成为完全的熔合体，这时强度与塑性最高。通过实际试验表明，压强^30Mpa，强度明显提高；压强达45-60Mpa，可获得极高强度与极高塑性兼具的制件。.为了使得模具与模具内的聚醚醚酮的内外温度相同，需要进行保温处理，但保温的时间，根据制件的大小灵活选择。2、加热速度与冷却速度后面的实际试验表明，若聚醚醚酮熔融体的持续时间过长，会产生降解，而降解直接降低制件的塑性。因此，为了避免降解，聚醚醚酮熔融体的持续时间不宜过长，要求快速加热，特别是当加热到熔融态时应快速升温至所需温度。另一方面，为了获得高强度，必须使聚醚醚酮充分结晶，又要求缓慢冷却。结论以快速加热，缓慢冷却为原则。具体参数可参照制件大小与复杂程度而定。为了正确选择加热与冷却速度，进行了以下两项检测(l)冷却速度聚醚醚酮是半结晶材料，其物理性能是结晶程度的函数，而结晶程度则取决于熔融-固化期的冷却速度。速度快，结晶不充分，物理性能低。所以，完全结晶条件下的最快冷却速度，是重要的基础数据之一。为求此数据，本实施例做了冷却速度为20.6。C/分、3(TC/分、40°C/分、53'C/分、7rc/分的腰前路制件的热分析(温度-时间)及压力变化(压力-时间)分析。制件是在压力下冷却通过结晶区的。热分析曲线(图7)表明，当冷却速度较慢时，聚醚醚酮熔融体在通过结晶区(270-31(TC)时，曲线出现了冷却速度自动减慢的斜线或者成为平台的结晶特征区。这种结晶特征区是由于结晶放热所致。冷却速度越慢，结晶温度越高，结晶时间越长。相反，冷却速度越快，则结晶温度低(这证明存在过冷反应)，结晶时间短。其压力变化曲线(图8)也在结晶区出现了压力自动急速下降的变化，此时还可观察到模具的上压模自动下压的过程。这种状态是由于结晶时体积收縮造成的。以上热分析与压力分析都证明了结晶期的存在，也揭示了冷却速度的影响。观察制件表面颜色，可确定结晶是否完全。因为结晶不完全者色深，结晶完全者为浅灰色。综合不同冷却速度下之热分析与压力分析结果，结合制件颜色，可得到完全结晶条件下之冷却速度。试验结果当聚醚醚酮熔融体的冷却速度《4(TC/分时，可得到完全结晶制件，且不必退火。当冷却速度超过4(TC/分但小于6(TC/分时，可以通过退火的方式达到结晶制件。2、测定聚醚醚酮熔融体不发生降解的最长持续时间由于聚醚醚酮是易降解材料，降解则强度降低，脆性增加，因此，要求制件不能发生降解。我们定义从粒料加热至熔化温度(34(TC)时开始计算时间，累计其升至最高温度的时间、保温时间及其后冷却至结晶完结的总时间，此即为熔融态持续时间。通过不同加热-冷却速度组合，可得到历经长短不一的熔融状态持续时间制件。结合观察试样颜色可知是否降解。未降解的聚醚醚酮制件的正常颜色是浅灰色，若在正常颜色(浅灰色)背景上出现棕色或黑色条纹或斑点，说明制件出现了降解。观察不同加热-冷却速度组合后的各制件试样，可得到不发生降解的最长持续时间。试验结果聚醚醚酮在熔融态的持续时间15分钟、22分钟时都未降解，直至当持续时间在30分钟以内也未出现降解。但当持续时间达到30分钟时出现轻微降解，但可退火消除。优选保证聚醚醚酮烙融体不发生降解的持续时间《22分钟。测定聚醚醚酮熔融体不发生降解的最长持续时间的意义1)可在此最长持续时间范围内灵活设计加热速度和冷却速度组合，以适应不同大小制件对加热速度和冷却速度的不同要求，保证大小制件都不降解、高强度。2)利用聚醚醚酮烙融体不发生降解的最长持续时间，在此持续时间范围内可从容获得高质量的制件。3)利用聚醚醚酮熔融体不发生降解的最长持续时间，可降低加热速度和冷却速度，从而也降低对加热系统、散热系统以及其它相关系统的要求，降低加热系统和散热系统以及其它相关系统的成本。综上所述，优选保证聚醚醚酮熔融体持续时间《22分钟和熔融体从高温至结晶区(270-31(TC)的冷却速度《4(TC/分，可得到完全结晶又不降解的高性能制件。在上述前提下，可任意选择加热速度和冷却速度的组合。使得本发明制备方法具有很大的灵活性与广泛的适应性。另外，需要说明的是，对于本发明所属
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，按照以上试验结果，还可以做出若干简单ii推演或替换，这些推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。权利要求1.一种植入级聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤步骤一、将称量的聚醚醚酮颗粒装入模具中；步骤二、将模具及其中的聚醚醚酮升温至熔融态；步骤三、在熔融态下加压10-60MPa；步骤四、在保持步骤三所述压力状态下冷却聚醚醚酮，使聚醚醚酮充分结晶，且聚醚醚酮于熔融态的持续时间≤30分钟；步骤五、对冷却后的模具脱模。2.根据权利要求1所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于.-所述步骤二是将聚醚醚酮升温至340-410°C。3.根据权利要求2所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤二是将聚醚醚酮升温至380-400°C。4.根据权利要求3所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤二是将聚醚醚酮升温至39(TC。5.根据权利要求1-4任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤三的加压是使聚醚醚酮的颗粒状边界消除。6.根据权利要求5所述的聚醚醚酮椎间融合器的制备方法，其特征在于所述步骤三是将聚醚醚酮加压30-60Mpa。7.根据权利要求6所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤三是将聚醚醚酮加压45-60Mpa。8.根据权利要求1-7任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤四的冷却速度《6(TC/分。9.根据权利要求8所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤四的冷却速度《40°C/分。10.根据权利要求1-9任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤四聚醚醚酮于熔融态的持续时间《22分钟。11.根据权利要求1-10任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述步骤二还包括保温时间，使得模具与模具内的聚醚醚酮的内外温度相同。12.根据权利要求11所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述保温的时间为2-3分钟。13.根据权利要求1-12任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于步骤一是在10，000级的洁净室中进行，其它各步骤是在100，000级洁净室中进行。14.根据权利要求1-13任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于所述的模具选用高红硬性高耐热钢材料，经淬火后，于400-410。C中回火，硬度不低于Rc.40。15.根据权利要求14所述植入级聚醚醚酮的制f方法，其特征在于更优选地硬度》Rc50。16.根据权利要求1-15任意一项所述植入级聚醚醚酮的制备方法，其特征在于模具在使用前，先用蒸馏水和/或化学纯乙醇超声波清洗。17.上述任意一项权利要求所述方法作为聚醚醚酮椎间融合器的制备方法的应用。18.按照上述任意一项权利要求所述方法制备的聚醚醚酮椎间融合器。全文摘要本发明公开植入级聚醚醚酮的制备方法，包括如下步骤步骤一、将称量的聚醚醚酮颗粒装入模具中；步骤二、将模具及其中的聚醚醚酮升温至熔融态；步骤三、在熔融态下加压10-60MPa；步骤四、在保持步骤三所述压力状态下冷却聚醚醚酮，使聚醚醚酮充分结晶，且聚醚醚酮于熔融态的持续时间≤30分钟；步骤五、对冷却后的模具脱模。通过该方法加工出的植入级聚醚醚酮制件结晶完全，不降解，兼备高强度与高塑性，而且无污染。文档编号B29C43/02GK101450517SQ20071012481公开日2009年6月10日申请日期2007年12月5日优先权日2007年12月5日发明者林芳寿申请人:林芳寿