[发明专利]纤维增强的复合材料

说明书

本申请是国际申请日为2007年11月30日、国际申请号为PCT/US2007/086067(国家申请号为200780043841.9)、发明名称为“纤维增强的复合材料”的申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请是申请日为2006年11月30日的美国专利申请号60/867,978的PCT国际申请，在此将其公开全部引入作为参考。

技术领域

本公开涉及生物可吸收的复合材料，更特别是涉及一种用于制造生物可吸收的制品的纤维增强聚合物复合材料。

背景技术

由于金属制品的高强度，已经将其用于骨折固定。虽然这些产品表现很好，但是在这些产品能给病人带来问题之处也发生很多事件。在某些情形中，金属植入物的存在可导致植入物周围的软组织受刺激，在严重的情形下这需要除去植入物。去除金属制品的操作使病人有与经历主要医疗过程相关的风险并且使最初骨折愈合的总成本增加。使除去骨折固定硬件的需要基本上减少了的一种可能解决方法是使用生物可吸收器件来固定骨折。然而，当前可采用的生物可吸收材料和制品不具有适于骨折愈合所需的初始强度和保持该强度的组合。

当前的市售生物可吸收制品包括那些由聚合物、聚合物共混物和共聚物注射成型制造的产品。这些产品已经被用在颅上颌面植入物和非承重骨折固定植入物领域，例如针和螺钉，用于腕和踝应用和软组织如韧带和腱再附着到骨上。另外，还有某些利用了这些聚合物的压缩性能的可利用的脊状产品。包含这些材料的产品是易于加工的，但是受该材料机械性能的限制。这些材料的拉伸强度在大约50MPa-100MPa之间。取决于所选择的聚合物或共聚物，这类产品保留其大部分强度持续小于约12周。因此，这些材料不适用于骨折固定应用，除了简单的非承重针和螺钉之外。

其它市售的生物可吸收产品包括自增强产品，其由于在产品加工期间的聚合物取向而具有提高的强度。尽管这些产品的强度提高了，然而其弯曲强度还是仅在250MPa左右，这限制了将该骨折固定技术用于螺钉和针。

最近，利用聚羟基乙酸(PGA)纤维已经由纤维增强聚合物复合材料制得了器件。这些复合材料具有良好的初始强度，但是由于这些纤维迅速水解而强度迅速受损。已经利用PLLA纤维和PDLLA作为基体材料制得了器件。不幸的是，该基体迅速分解并导致该复合材料的强度迅速降低。其它尝试采用了包含PLLA作为增强纤维的共聚物，例如比例为82∶18的PLLA-共-PGA共聚物。然而，已经难于找到能够在该增强纤维不劣化或破坏下被加工成复合材料的适当聚合物基体材料。最近，已经制造出这样的复合材料，其中基体是一种其化学组成与纤维相同的聚合物，或者基体是一种共混物，该共混物的大部分是一种其化学组成与基体相同的聚合物。这些复合材料的初始弯曲强度为120-140MPa，在使用大约12周内该强度损失了大部分。

使聚合物基体的降解慢下来的尝试包括使复合材料改性以加大聚合物的疏水性。但是，这要么增大了聚合物基体的结晶度，从生物学的观点来看，这是不好的，要么如果加入疏水性的橡胶组分例如聚己内酯(PCL)，其使得聚合物太柔软。缓冲材料例如碳酸钙也被加入聚合物中以减慢降解速率和改善生物学性能例如骨传导性。然而，为了得到碳酸钙的有益效果，需要其以高含量存在，约为复合材料重量的30％。由于纤维聚合物复合材料含有至少50％体积的纤维，可预期含碳酸钙的基体将会不利地干扰聚合物基体和增强纤维之间的界面。这会导致纤维增强的复合材料实质上弱化或甚至在骨折完全愈合之前瓦解。

为了制造适宜的纤维增强的复合材料，对于纤维和基体材料具有某些要求。为了使骨折愈合，该纤维需要具有高的初始拉伸强度和保留大部分该强度的能力。为了具有高的初始强度，该纤维需要高度取向并且以复合材料体积的约40％存在。另外，该纤维还应该具有一些结晶度，因为这可赋予抵抗纤维中的取向松弛的稳定性。

为了使骨折愈合，基体材料还需要能够保留其大部分强度持续适当的时间，大约6-12周左右。为了达到此目的，基体应该具有足够高的初始分子量。当聚合物降解时，分子量减小并且该聚合物变得易碎并且丧失其机械性能。可以将添加剂例如碳酸钙或其它缓冲材料加入基体中来控制降解速率。缓冲材料的量应该为基体的约30％重量，而不会不利地干扰聚合物基体和增强纤维之间的界面。