[发明专利]一种个性化的碳陶复合材料接骨板及其制备方法

摘要

本发明属于碳陶复合材料技术领域和生物医用材料技术领域，具体涉及一种个性化的碳陶复合材料接骨板及其制备方法。本发明所设计的个性化的碳陶复合材料接骨板中短切碳纤维以均匀分布或非均匀分布的方式分布于结构架内且表面包覆有树脂碳；同时其所包覆的含BMP活性蛋白的功能层也可呈非均匀分布方式存在。本发明首次尝试了应力分析与短切碳纤维布置方式以及BMP活性蛋白分布方式的结合；得到了更利于患者快速优质恢复的碳陶复合材料接骨板。本发明工艺适应性强，效果好，便于大规模应用。

主权项

1.一种个性化的碳陶复合材料接骨板；其特征在于：所述接骨板由结构架和含BMP活性蛋白的功能层构成；所述含BMP活性蛋白的功能层位于镶嵌和/或包覆于结构架的表面层上；所述结构架包括短切碳纤维、树脂碳基体、氧化物陶瓷颗粒、SiC基体；所述短切碳纤维以均匀分布或非均匀分布的方式分布于结构架内且表面包覆有树脂碳；所述非均匀分布方式是指：定义结构架内短切碳纤维的平均质量百分含量为A，则非均匀分布时，先任意选定一个点B为核心，以B点为中心获取边长为200微米的正方体；所述正方体内短切碳纤维的质量百分含量为0.1‑0.99A或1.01‑1.5A；

所述接骨板的密度为1.7～2.0g/cm³。

2.根据权利要求1所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板；其特征在于：

所述接骨板内短切碳纤维占接骨板总质量的15～26％；

氧化物陶瓷颗粒占接骨板总质量的3～5％；

SiC基体的质量占接骨板总质量的20～40％；

含BMP活性蛋白的功能层占接骨板总质量的0.5～1.0％。

3.根据权利要求1所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板；其特征在于：所述含BMP活性蛋白的功能层呈非均匀分布方式分布。

4.一种制备权利要求1‑3任意一项所述的个性化的碳陶复合材料接骨板的方法；其特征在于，包括下述步骤；

步骤一 骨骼图像的采集及三维模型建立

对特定部位骨骼进行计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)，获得骨骼个性化数据；

将骨骼的CT/MRI扫描数据进行三维重建，获得骨骼骨折处三维模型；

步骤二 构建个性化接骨板模型

根据骨骼的三维重建模型，绘制出接骨板放置处骨骼的不规则曲面，结合患侧骨碎片大小、位置以及骨折线长度，设计出螺钉孔的间距及分布，以及接骨板的载荷分布，并在有限元分析软件中构建接骨板；利用有限元分析软件进行骨骼和接骨板模型耦合应力场三维仿真，得到三维仿真数据；

步骤三 制备打印粉末

首先将短切碳纤维在浓酸溶液中进行表面处理，然后按照短切碳纤维的不同含量将其分别与陶瓷粉末、热固性酚醛树脂粉末混合均匀；随后在丙酮溶液中进行溶解，最后将其沉淀并且破碎成近球形的至少3组打印粉末；所述打印粉末中至少有一组的短切碳纤维含量小于成品中短切碳纤维的平均含量，剩余的打印粉末组中，至少有一组的短切碳纤维含量大于成品中短切碳纤维的平均含量；同时所述打印粉末中还有一组的短切碳纤维含量等于成品中短切碳纤维的平均含量；

步骤四 3D打印接骨板坯体

根据有限元模拟应力分布结果，选取打印粉末；打印粉末的选取原则为：对应力场仿真中应力集中区域增加短切碳纤维含量；根据三维仿真数据，一边铺设粉末一边采用选区激光熔化3D打印技术打印接骨板坯体；

步骤五 接骨板坯体炭化

将3D打印得到的接骨板坯体在炭化炉中先进行固化，然后进行炭化，得到多孔结构的碳纤维增强陶瓷基接骨板坯体，密度为0.8～1.0g/cm³；

步骤六 化学气相渗透制备碳基体

将炭化后的多孔结构的碳纤维增强陶瓷基接骨板坯体在化学气相渗透炉中进行热解碳沉积至接骨板坯体的密度至1.1～1.5g/cm3；

步骤七 接骨板坯体增密

通过浸渍、裂解的方式在步骤六所得接骨板坯体上制备SiC基体，得到进一步增密后的接骨板；第二次增密后坯体的密度为1.8～2.0g/cm³；得到碳基复合材料接骨板；

步骤八 制备含BMP活性蛋白分子的明胶缓释微球涂层

将步骤七所得接骨板用浓酸氧化后，在超声波水溶液中清洗后烘干,用去离子水清洗至清洗液呈中性，然后将其浸渍于含BMP明胶缓释微球的壳聚糖醋酸溶液，利用静电自组装，采用浸渍提拉法和/或喷涂法反复多次涂覆，干燥，将壳聚糖涂覆于碳基复合材料接骨板表面，然后分装，得到所述个性化碳陶复合材料接骨板。

5.根据权利要求4所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法，其特征在于：步骤一中采用64排螺旋CT获得患者的骨部位的原始数据，扫描条件为120kV，250mA，层距0.5～1mm，之后按Dicom格式保存；然后将Dicom格式图像输入Mimics软件，组织图像；然后用“profile line”测量骨的Hu值曲线，根据皮质骨灰度值设定Hu阀值；重建三维模型即可得到骨折的原始三维模型；运行Mimics的Reposition命令，对各个骨折片、骨折块进行复位，最大程度保证骨的对合，将复位骨折块合并成一个整体；以IGES格式保存并导入Geomagic软件中，利用其曲面重构功能，完成对研究部位曲面模型构造。

6.根据权利要求4所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法，其特征在于：所述有限元分析软件选自ANSYS、Abaqus、Marc中的一种。

7.根据权利要求4所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法，其特征在于：步骤二中将步骤一所设计出的骨表面模型导入ANSYS软件中；在ANSYS软件中设计接骨板几何模型；用ANSYS软件对设计好的接骨板有限元模型进行材料赋值、网格划分、边界处理和负荷加载；在压缩、折弯、扭转三种工况下分析接骨板上的应力分布和传导；将应力最为集中的薄弱单元节点区域设定为修订区，进行对应力集中部位进行加厚处理，建立修订后个性化接骨板模型并再次进行有限元分析至满足要求。

8.根据权利要求4所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法，其特征在于：步骤三中采用溶解‑沉淀法制备3D打印粉末；所述溶解‑沉淀法为：

首先将短切碳纤维在盐酸溶液中45～60℃超声分散2～4h获得悬浮液，碳纤维被化学蚀刻；之后用蒸馏水清洗，随后进行真空过滤，120～150℃干燥12～24小时，得到化学氧化碳纤维；

以1：1～3质量比将处理后的碳纤维加入丙酮溶液，室温超声分散0.5～3小时，使碳纤维分散均匀；同时，将酚醛树脂(PF2123)、(氧化铝+氧化锆粉末)、六亚甲基四胺粉末按质量比，10～14：2～3：1在V形混料机中混合1～3小时；

按各组打印粉末中短切碳纤维的含量设计；将混合粉末和碳纤维悬浮液加入反应器中，密封反应器防止丙酮气体溢出，用磁力搅拌器以100～150转/分钟搅拌3～5小时，使酚醛树脂和六甲基四胺完全溶解在丙酮溶液中；然后，将混合溶液置于蒸发皿中室温蒸发12～24，丙酮从混合液中蒸馏出来，酚醛树脂开始析出结晶。最后，将所得沉淀物在真空烘箱50～65℃下干燥2～4小时，用粉碎机粉碎，获得多组短切碳纤维含量不同的3D打印粉末；

所述氧化铝和/或氧化锆粉末平均粒径为5～30μm。

9.根据权利要求4所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法，其特征在于：

步骤四中采用选区激光熔化3D打印接骨板坯体；所使用SL