[发明专利]一种碳基复合材料接骨螺钉及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳基复合材料接骨螺钉及其制备方法，该接骨螺钉包括螺帽和螺杆，接骨螺钉的基体由碳/碳/碳化硅复合材料构成，基体表面涂覆DLC涂层。接骨螺钉是利用碳纤维织物为原料，通过增密基体碳、机加工、增密基体碳化硅、高温处理及沉积DLC涂层等工艺步骤制成。该接骨螺钉具有轻质、生物相容性好、力学性能优异的特点，且制备过程简单、操作性强，有利于工业化批量生产。

技术领域

本发明涉及一种接骨螺钉，具体涉及一种碳基复合材料接骨螺钉及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。

背景技术

接骨螺钉在临床上大量使用，大多为具有较高力学性能的金属材料，如不锈钢、钛及钛合金等，其与自体骨的弹性模量差异会在植入部位发生应力遮挡效应，引起骨质疏松，一般需要经过二次手术取出，增加患者的痛苦。临床上也有利用可降解的高分子聚合物材料制备螺钉的方案，但因高分子材料力学性能不佳，所制螺钉不但体积大，而且在拧紧时容易因扭矩小而导致螺钉破裂，而且降解产物会导致局部酸性过强，不具备显影效果，严重影响使用效果。也有开发可降解镁及其合金螺钉用于骨科内固定也存在一定问题，如其降解速率比骨生长速率快而导致固定失效，腐蚀产生大量氢气聚集引发炎症等。

碳材料具有很好的生物相容性，已在心脏瓣膜、骨骼、生长支架、肿瘤药物、生物传感器等方面得到应用。特别是碳基复合材料具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好、可设计性强、具有一定的塑性等特点，被视为骨科植入的理想材料。但是，中国专利(CN 108577957A)仅设计成接骨板，临床使用时，还需配合金属螺钉，必然存在适配性问题。也有将碳基复合材料开发成工业用紧固件，如CN201410712327.1、CN201711174889.5等，存在丝扣硬度低，小尺寸规格强度低，不适用于接骨螺钉的使用要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的是在于提供一种轻质、生物相容性好、力学性能优异的碳基复合材料接骨螺钉。

本发明的第二个目的是在于提供一种步骤简单、易于操作的制备碳基复合材料接骨螺钉的方法。

本发明提供了一种碳基复合材料接骨螺钉，包括螺帽和螺杆，所述接骨螺钉的基体由碳/碳/碳化硅复合材料构成，基体表面涂覆DLC涂层。

本发明提供的接骨螺钉主体材料为碳基复合材料，具有轻质、力学性能较好的特点，如最大扭矩≥0.3N.M，断裂扭转角≥20°，且弹性模量与自体骨相当，长期植入无应力遮挡效应隐患，而表面的DLC涂层赋予了接骨螺钉良好的生物相容性，且硬度高，耐磨性好，可有效阻挡内层碳基复合材料基体脱落扩散，避免抑制组织新生。

优选的方案，所述基体与DLC涂层之间设有PyC涂层。DLC涂层为类金刚石涂层。PyC过渡层为热解碳层。本发明通过设置PyC涂层可做作为均质层，有利于DLC涂层的沉积，为高硬度的碳化硅和DLC层提供韧性过渡层，而且可以改善DLC涂层的结合能力，以及提升碳层(包括PyC和DLC)的厚度，在一般的条件下大厚度的DLC涂层难实现，而通过PyC涂层过渡，可以明显改善该缺陷。

较优选的方案，所述DLC涂层厚度为100nm～3μm。

较优选的方案，所述PyC涂层厚度为5μm～50μm。通过设置PyC涂层后，可以明显提高DLC涂层的可生成厚度和均匀性，同时可以提高DLC涂层与碳基复合材料的结合能力。

优选的方案，所述碳/碳/碳化硅复合材料包括基体碳和基体碳化硅以及由碳纤维布与碳纤维网交叉叠层复合而成的碳纤维材料。

本发明还提供了一种碳基复合材料接骨螺钉的制备方法，其包括以下步骤：

1)将多层碳纤维布与多层碳纤维网交叉叠层针刺复合，得到碳纤维预制体；

2)碳纤维预制体增密基体碳，得到碳/碳坯料；

3)碳/碳坯料经过机加工制成碳/碳螺钉；