[发明专利]一种个性化碳-碳复合材料人工骨及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及医疗领域，尤其是一种个性化碳-碳复合材料人工骨及其制备方法。

背景技术

人工骨置换手术作为有效的治疗方法在国内外已广泛开展。人的骨骼虽大体形貌一致，但骨骼结构存在较大差异，股骨颈干角可以从110°变化到140°，平均125°，统一的假体不能适用于所有病人。普通的假体柄不能适合每个人的髓腔，使假体与骨之间存在空隙，再受力时会产生微小的晃动，Bowman SM等通过对牛骨小梁的微动实验发现微动会对骨小梁产生疲劳性损伤。假体与骨的紧密结合同时使假体所受的力均匀地传导至骨骼，减少了应力遮挡作用所产生的骨萎缩和骨吸收。所以人工骨假体产品具有极高的个性化特点，标准、系列化的产品往往对一些病人不合适，目前国内使用的人工假体设计参数部分来自欧美人种。因此要设计制造个体化的假体来满足病人骨骼结构的要求，在设计过程中可以人工干预，从而得到最佳人工骨假体。

碳是组成有机物质的主要元素之一，更是构成人体的重要元素，碳材料已在心脏瓣膜、骨骼、齿根、血管、肌腱等诸多人工材料方面获得应用和发展。碳/碳复合材料克服了单一碳材料的脆性,具有高强度、高韧性、耐腐蚀、耐高温等优点。碳/碳复合材料是以碳纤维增强碳基体的新型复合材料，弹性模量与人骨相当，具有良好的生物力学相容性。本课题组前期研究认为经过特殊处理的碳/碳复合材料是符合中华人民共和国国家医疗器械生物学安全标准的。而且本课题组通过影像学比较认为：碳/碳复合材料植入物相对于金属植入物在影像学检查上不会产生金属伪影和对射线阻挡作用。碳/碳复合材料是一种极有潜力的新型生物医用材料，个体化碳/碳复合材料人工骨的制备是发展趋势。但是目前个体化碳/碳复合材料人工骨的制备相对于金属植入物来说制造周期长、成本高，制约了碳/碳复合材料人工骨发展。金属修复体一般先通过CT扫描获得二维和三维信息，进行建模后生成模具或模型，再通过铸造获得个体化的人工骨，而碳/碳复合材料人工骨由于需要对碳纤维的排列及热解碳的沉积，因此金属植入物的制造方法对于碳/碳复合材料人工骨的制备是不合适的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服上述中存在的问题，提供一种个性化碳-碳复合材料人工骨及其制备方法，其克服了单一碳材料的脆性，具有高强度、高韧性、耐腐蚀性、耐高温的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种个性化碳/碳复合材料人工骨的制备方法，具体步骤如下：

a.选择碳纤维增强碳基体作为原料，碳纤维增强碳基体的弹性模量与人骨相当，具有良好的生物力学相容性；

b.通过CT图像的采集进行人工骨轮廓，采集后的人工骨轮廓转换成非均匀有理B样条曲面的方法对碳/碳复合材料进行处理后形成碳/碳复合材料人工骨，其具体方法如下：（1）轮廓勾画；（2）生成二值体数据；（3）三角网格生成；（4）转换成NURBS曲面；

c.将碳纤维增强碳基体放入真空辉光放电室中，在真空辉光放电室中通入氩气进行对碳纤维增强碳基体表面进行等离子预处理，去除碳纤维周围热解碳表面的皱褶、碎片、结合力差的特性，使得羟基磷灰石与碳纤维结合强度提高，真空辉光放电室的直流电源电压、氩气的压力、工作电流、工作时间等参数可调，经过处理后的碳纤维增强碳基体放入酒精溶液中进行超声清洗，清洗氩气轰击下来的热解碳颗粒；

d.对清洗过后的碳纤维增强碳基体表面进行喷涂羟基磷灰石涂层形成成品碳/碳复合材料，喷等离子喷涂功率为38kw，喷涂距离为110mm，喷枪移动速率为180mm/s，涂层厚度为70um，满足人体对羟基磷灰石图层厚度的要求。

d中碳/碳复合材料人工骨包括碳/碳复合材料和羟基磷灰石，羟基磷灰石喷涂在碳/碳复合材料表面上。

本发明的有益效果是，本发明的一种个性化碳-碳复合材料人工骨及其制备方法，通过CT图像制备得到的碳/碳复合材料人工骨能够与其被更换的自身骨形状一致；在碳/碳复合材料的表面上喷涂羟基磷灰石涂层，能够提高碳/碳复合材料表面活性，有效地减少碳颗粒的释放；通过等离子体预处理，可以提高羟基磷灰石涂层与碳/碳复合材料之间的结合力；能够使其弹性模量与人骨相当，具有高强度、高韧性、耐腐蚀和耐高温的特性，并且为良好应用前景的人工关节、骨假体材料。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的非均匀有理B样条曲面流程图；

图2是本发明的轮廓勾画的示意图；

图3是本发明的多边形和对应的图像；