[发明专利]基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法

说明书

本发明属于医用材料领域，具体为一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。本发明以取向碳纳米管纤维为基础，通过多股纤维多级螺旋，应力释放得到双螺旋纤维作为韧带植入材料。由本发明得到的韧带材料拉伸模量1.4‑4GPa，断裂伸长率为10‑30%，可满足植入韧带的力学要求；密度为0.3‑0.9g/cm³，并具有大量与自体韧带结构类似的纳米级和微米级取向孔道。经过前交叉韧带重建手术植入新西兰兔韧带缺损模型4周后，新生骨再生长入韧带与骨孔道间隙，13周后，新生骨融入多级纤维孔道之间，实现植入韧带与骨组织完全整合。该可植入韧带材料可用于鼠、兔、猫、狗、羊、猪、人等动物韧带替代性植入。

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。

背景技术

致密结缔组织是连接骨骼与骨骼、骨骼与肌肉之间的关键组织，是人体实现运动机能的关键。以前交叉韧带为例，人体一天的运动中依赖于前交叉韧带数万次弯曲。在往复运动中，韧带一直保持受力状态或拉伸状态，运动损伤数见不鲜。随着全面健身运动的开展和国民对运动重视程度的提升，韧带相关的运动损伤也在持续上升。韧带断裂后，重建手术是最佳选择。据统计，每年每1250人中即有一人需要接受前交叉韧带重建手术。重建术的移植物有自体肌腱、异体肌腱和人工韧带三种选择。但使用自体肌腱会对供区带来损伤，且切取后不可再生，来源受限，同时延长了手术时间；使用异体肌腱同样来源受限，需更长的康复期，且有传播疾病及引起免疫排斥反应的风险。自体和异体肌腱还要经历移植细胞坏死和自体细胞长入和胶原重塑等漫长“韧带化”过程。与自体和异体肌腱移植物相比，人工韧带不会造成供区损伤、传染疾病且来源充足，移植后力学强度不会明显下降。且使用人工韧带的患者重返运动时间短。因此，人工韧带得到了越来越多的重视。

目前临床应用最为广泛的人工韧带是由法国学者JP Laboureau设计研发的LARS人工韧带（Ligament Advanced Reinforcement System），其主要材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。LARS韧带可以满足韧带的力学要求，但是在长久使用过程中，因为缺乏生物活性，无法诱导自体组织生长，实现与周围骨组织的整合。相反，LARS韧带在长时间反复运动中，由于与周围骨组织的磨损，会导致骨道逐渐扩大乃至韧带脱落。统计表明，超过30%的患者需要在手术后接受修正手术，约78%的植入韧带在重建手术15年后无法继续实现韧带功能。如何在实现韧带力学功能的同时，进一步有效提升其与周围组织的整合，实现类天然韧带-骨界面的植入韧带-骨界面，是一个亟待解决而又困难重重的研究课题。

发明内容

本发明旨在满足目前医用植入韧带力学要求的同时，解决目前植入韧带面临的骨组织磨损，自体组织再生困难，生物整合性差等问题，提供一种基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料及其制备方法。

本发明通过气相沉积方法获得高度取向的碳纳米管材料，干法纺丝获得一级螺旋碳纳米管纤维；然后通过一股或多股一级纤维加捻构筑获得二级螺旋纤维；最后将一股或多股二级纤维加捻构筑，应力释放，获得三级双螺旋结构纤维。该纤维力学性能优异，耐疲劳性强，可以满足人工韧带的力学要求，且具有与天然韧带类似的纳米级取向孔道和微米级孔道可以有效促进自体组织再生和骨组织整合。

本发明提供的基于取向碳纳米管纤维的可植入韧带替代材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）一级螺旋取向碳纳米管纤维的制备；采用气相沉积与干法纺丝方法，有两种不同合成途径：

一是通过化学气相沉积法合成碳纳米管阵列，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米管带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；

二是通过浮动催化气相沉积法连续制备碳纳米管窄带，以带有尖头的纺锤将所拉出的碳纳米管窄带连接起来后匀速旋转，纺出一级螺旋取向碳纳米管纤维；