[发明专利]一种碳基复合材料人工骨修补材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碳基复合材料人工骨修补材料及其制备方法，碳基复合材料人工骨修补材料为在碳基多孔材料表面依次为陶瓷层和热解碳层，其制备方法是在仿形人工骨的碳基多孔材料基体表面依次生成金属层和低温碳层后，进行高温热处理使金属层和低温碳层转化成陶瓷层，再沉积热解碳层，即得在形态和功能上均实现仿生的人工骨修补材料，该人工骨修补材料内部孔隙度较高，具有较低导热系数及低弹性模量，而表面复合涂层可以作为人工骨轮廓的显影性和阻断层，以及提供更平整的表面和软质的接触面，避免质硬的陶瓷内层与人体自体骨残端的摩擦磨损。

技术领域

本发明涉及一种人工骨修补材料，特别涉及一种碳基复合材料人工骨修补材料及其制备方法，属于生物材料制备技术领域。

背景技术

临床上，人工骨植入是因创伤、肿瘤、感染以及发育异常引起的骨缺损导致解剖学上重建临床治疗的有效手段。目前，作为人工骨植入材料主要有金属、陶瓷、高分子材料，其主要存在以下问题：金属存在易磨损、易疲劳、易腐蚀、骨质吸收、医学影像有伪影等不足；高分子材料存在着老化、抗蠕变性能差、毒性反应、血栓形成等不足，而陶瓷材料存在着无塑性、质脆、易折断等缺点。

近年来，具有优异力学性能的复合材料的得到了快速发展，为人工骨材料的无机非金属化提供了有利契机。其中碳基材料具有良好的生物相容性，如无医学影像伪影、不释放有毒物质，纤维增强表现出与人体自生骨匹配的生物力学性能等优点。如中国专利(CN108577957 A)公开了一种碳/碳-碳化硅复合材料接骨板，其包括由0°无纺布、碳纤维网胎和90°无纺布依次交替叠层形成的碳/碳复合材料基材，表面包覆有热解碳和碳化硅涂层。中国专利(CN 108171798 A)公开了依据医学影像数据模型采用选区激光熔化3D打印制备个性化碳陶复合材料接骨板，所用短切碳纤维以均匀分布或非均匀分布的方式分布于结构内且表面包覆有树脂碳，可实现解剖学上的重建。事实上，人体原生骨外层为致密的皮质层(硬度为0.6GPa～1.0GPa)，中心为低密度的松质骨，作为人工骨不仅应具有形态仿生，而且也需达到宏观结构上的功能仿生，比如轻质、低导热等。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的第一个目的是在于提供一种在形态和功能上均实现仿生的人工骨修补材料，其内部为高孔隙率的碳基多孔材料基体仿生低密度松质骨，可有效降低导热系数，保障了低弹性模量，而表面复合层仿生皮质层，陶瓷层作为过渡层提供人工骨轮廓的显影性和阻断层，防止碳基多孔材料基体因机械损伤导致颗粒脱落转移到外部而带来影响，而外部的高温热解碳层提供更平整的表面和软质的接触面，避免质硬的陶瓷内层与人体自体骨残端的摩擦磨损。

本发明的第二个目的是在于提供一种碳基复合材料人工骨修补材料的制备方法，该方法操作简单、成本低、有利于大规模生产。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳基复合材料人工骨修补材料，其在碳基多孔材料表面依次为陶瓷层和热解碳层。

本发明的碳基复合材料人工骨修补材料的基体碳基多孔材料为仿生低密度松质骨，具有高孔隙率，可有效降低导热系数，保障了人工骨较低弹性模量，而复合涂层仿生皮质层，陶瓷层为过渡层，不但可以提高人工骨轮廓的显影性，而且作为阻断层，防止多孔基体因机械损伤导致颗粒脱落转移到外部而带来不利影响，如颗粒异物影响、随组织转移等。外部的高温热解碳涂层可提供更平整的表面和软质的接触面，避免质硬的陶瓷内层与人体自体骨残端的摩擦磨损。

作为一个优选的方案，所述碳基多孔材料为碳纤维/碳复合材料；所述碳纤维/碳复合材料由多层碳纤维布和碳纤维网交叉叠层针刺复合或者由多层单一碳纤维网叠层针刺复合形成的碳纤维织物及其内部的碳基体构成(碳基体分布在碳纤维表面和填充在碳纤维之间)。

作为一个优选的方案，所述碳纤维/碳复合材料的孔隙率为40％～60％。较高孔隙率碳纤维/碳复合材料作为基体可有效降低导热系数，保障了人工骨较低的弹性模量。

作为一个优选的方案，所述陶瓷层由Ti、Si、W、Cr、Ta、Zr中至少一种与低温碳层在1000℃～1500℃高温下形成。