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炭纖維增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料
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| 發(fā)布時(shí)間：
2020/7/14 |
炭纖維具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、導(dǎo)電性好、比表面積高以及生物相容性良好等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。炭纖維可使人工器官、人工骨、人工齒及人工肌腱在強(qiáng)度、硬度和韌性等多方面的性能顯著提高?；钚蕴坷w維布具有大的毛細(xì)管活性和比表面積，其次炭纖維布本身無(wú)毒，也不會(huì)產(chǎn)生色素，所以可用于醫(yī)療的吸附材料，能有效地吸收微生物和化學(xué)物質(zhì)，可用于治療傷口。此外，炭纖維布的吸濕性能有效地防止毒素、細(xì)菌和微生物等滲入淋巴和血液，大大縮短治愈時(shí)間。炭纖維網(wǎng)具有強(qiáng)度高、組織相容性好和不易老化等優(yōu)點(diǎn)，還能誘發(fā)產(chǎn)生高質(zhì)量的新生組織并沿纖維束生長(zhǎng)，炭纖維網(wǎng)常常用于腹壁缺損的修補(bǔ)。炭纖維在修復(fù)韌帶和肌腱時(shí)，既可以提供必要的強(qiáng)度，也可以作為生物源供宿主組織轉(zhuǎn)化為新生的韌帶和肌腱，使之可以牢固地愈合。例如，由于炭纖維本身質(zhì)地脆弱，耐剪切能力差，單束假體不能承受多軸應(yīng)力，伸展性極小，臨床上已有研究聚乳酸涂層編織炭纖維人工韌帶，力學(xué)性能測(cè)試表明其延展性有所增加，初步應(yīng)用于臨床，替代前交叉韌帶，修復(fù)肱三頭肌腱，取得滿意效果。目前具有生物醫(yī)學(xué)功能的炭纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要包括炭纖維增強(qiáng)炭基、炭纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基和炭纖維增強(qiáng)其他基體復(fù)合材料。
1、炭纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料
(1)炭纖維增強(qiáng)聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)自誕生以來(lái)，一直作為醫(yī)用材料使用，如用于骨缺損填充修復(fù)的骨水泥以及牙體修復(fù)的復(fù)合樹(shù)脂等。近年來(lái)由于PMMA制備工藝簡(jiǎn)單、生物相容性優(yōu)良且成本低廉，被臨床廣泛應(yīng)用，是制作義齒基托的主要材料。然而由于PMMA的力學(xué)性能較差，義齒基托折斷是困擾口腔科大夫和患者的一個(gè)難題。有調(diào)查表明，義齒修理中33％為人工牙脫落，29％為基托中線折裂，特別是上頜全口義齒的中線折裂。采用炭纖維增強(qiáng)PMMA得到的骨水泥，與純 PMMA相比，抗拉強(qiáng)度和彈性模量可分別提高50％和40％，抗疲勞和蠕變性能大大提高，聚合溫度可下降10℃。有研究者[”]采用懸浮聚合的方法，制備出炭纖維增強(qiáng)PMMA復(fù)合材料，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度較甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯有所增加。
(2)炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)
炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂綜合了炭纖維和環(huán)氧樹(shù)脂的特性，其彈性大于金屬，強(qiáng)度又大于塑料和有機(jī)玻璃，將三者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合于一體。CFRP接骨板具有彈性模量與骨近似的特點(diǎn)，應(yīng)用于骨折內(nèi)固定可以減少應(yīng)力遮擋，避免鋼板取出后的再骨折。炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂鵝頭接骨板(動(dòng)力髁)如圖1所示。研究表明炭纖維編織布的層疊方式?jīng)Q定了CFRP接骨板的強(qiáng)度，這給臨床應(yīng)用提供了選擇余地，如選擇強(qiáng)度高、彈性低的CFRP接骨板，只需將炭纖維織布相互疊加的角度改變即可。
圖1 炭纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂鵝頭接骨板(動(dòng)力髁)
另外，許多動(dòng)物試驗(yàn)、材料力學(xué)測(cè)試和臨床應(yīng)用隨訪證明，CFRP是一種比較理想的內(nèi)固定材料，不易出現(xiàn)感染、異物反應(yīng)、接骨板斷裂及骨不連接，效果令人滿意。
(3)炭纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料
在眾多的高分子材料中，聚醚型聚氨酯因具有相對(duì)良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能，一直作為與血液直接接觸的重要材料，用于制作人工心臟、介人性氣囊、導(dǎo)管和心室輔助循環(huán)系統(tǒng)等。為提高聚醚型聚氨酯的血液相容性，當(dāng)前對(duì)其進(jìn)行了大量的改性工作。但是迄今為止，還沒(méi)有一種改性的聚氨酯材料能夠完全滿足當(dāng)前心血管系統(tǒng)臨床應(yīng)用的高要求，例如制作小口徑血管移植物和全植入式人工心臟等。此外，目前大多數(shù)的改性方法在提高材料血液相容性的同時(shí)，會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能帶來(lái)一定的負(fù)面影響。
由于納米炭的直徑與聚氨酯微觀結(jié)構(gòu)中硬段微區(qū)的尺寸很接近，具有高表面自由能的納米炭材料，會(huì)與聚氨酯相互作用而形成一種新的表面含有單質(zhì)碳的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，該材料可以保持聚氨酯的力學(xué)性能，并使聚氨酯表面的血液相容性得到提高。
2、炭纖維增強(qiáng)其他基體復(fù)合材料
羥基磷灰石(HA)是人體骨骼中主要的無(wú)機(jī)鹽成分，具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，能夠與骨形成較強(qiáng)的鍵合。但是由于HA陶瓷的易脆性，一般不能作為承重骨使用，只能用作非負(fù)荷性骨缺損填充。因此，以HA作為植入體材料的涂層或與其他材料形成復(fù)合物已成為研究熱點(diǎn)。其中以HA／高聚物復(fù)合材料的形式應(yīng)用于臨床時(shí)，一方面可提高HA的韌性，另一方面，HA粉末對(duì)聚合物起彌散增韌、提高抗壓強(qiáng)度的作用，從而可用作承重骨。
有研究指出，以短炭纖維為增強(qiáng)體，采用濕法攪拌均化和自組裝合成工藝使短炭纖維均勻分散于反應(yīng)生成的羥基磷灰石粉體中，將復(fù)合粉體壓制成型后于高溫氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛常壓下可燒結(jié)制備短炭纖維增強(qiáng)羥基磷灰石生物復(fù)合材料。為提高復(fù)合材料的界面結(jié)合，采用低溫氧化法對(duì)炭纖維進(jìn)行表面處理。測(cè)試結(jié)果表明，炭纖維的表面處理對(duì)力學(xué)性能有很大影響，可大大提高復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度。此種制備方法具有纖維損傷度最小、炭纖維體積分?jǐn)?shù)高以及操作便利等優(yōu)點(diǎn)，常壓下燒結(jié)制備的短炭纖維增強(qiáng)羥基磷灰石生物復(fù)合材料是一種很有發(fā)展前途的骨替代植入材料，克服了羥基磷灰石固有的脆性和裂紋敏感性。
曹麗云等以丙烯腈短切炭纖維為增強(qiáng)相，納米HA為改性體，PMMA為基體，采用原位合成與溶液共混相結(jié)合的方法，制備了Cf-HA／PMMA生物復(fù)合材料。測(cè)試結(jié)果表明，該合成工藝可以保證短切炭纖維和HA在基體PMMA中均勻分布，所制備的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能。
3、炭纖維增強(qiáng)生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料的性能評(píng)價(jià)
在生物材料性能評(píng)價(jià)的研究中，生物相容性是生物材料研究中貫穿始終的主題。生物相容性是指生命體組織對(duì)生物材料產(chǎn)生反應(yīng)的一種性能，該材料既可以是非活性的又可以是活性的。具體內(nèi)容指材料與宿主之間的相容性，包括組織相容性和血液相容性?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，生物相容性包括兩大原則，一是生物安全性原則，二是生物功能性原則。
生物安全性是植入體內(nèi)的生物材料要滿足的首要性能，是材料與宿主之間能否結(jié)合完好的關(guān)鍵。20世紀(jì)70年代，已經(jīng)開(kāi)始有關(guān)于生物材料生物學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的研究，目前已經(jīng)形成了從細(xì)胞水平到整體動(dòng)物較完整的評(píng)價(jià)框架。至今，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)以10993編號(hào)發(fā)布了二十余個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)生物學(xué)評(píng)價(jià)方法也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。源于當(dāng)前社會(huì)有關(guān)動(dòng)物保護(hù)的輿論呼吁，為減少動(dòng)物試驗(yàn)，國(guó)際上各國(guó)專家對(duì)體外評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了大量的研究，同時(shí)利用現(xiàn)代分子生物學(xué)手段來(lái)評(píng)價(jià)生物材料的安全性，使評(píng)價(jià)方法從整體動(dòng)物和細(xì)胞水平深入到分子水平。目前的研究工作主要集中在體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)、遺傳性和致癌性試驗(yàn)以及血液相容性評(píng)價(jià)方法等方面，但具體評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)都未統(tǒng)一，更沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。
隨著材料生物相容性研究的不斷發(fā)展，評(píng)價(jià)生物材料對(duì)生物功能的影響也日益受到人們的重視。關(guān)于這方面的研究主要是體外法，具體來(lái)說(shuō)側(cè)重于對(duì)細(xì)胞功能的影響和分子生物學(xué)評(píng)價(jià)方面的研究，麗涉及材料的化學(xué)穩(wěn)定性、疲勞性能和摩擦磨損性能等方面的生物材料在人體內(nèi)長(zhǎng)期埋植的穩(wěn)定性則是需要開(kāi)展評(píng)價(jià)研究的另一個(gè)重要部分。
霍丹群等以復(fù)鈣時(shí)問(wèn)、血小板吸尉以及血漿蛋白的量等實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，嘗試了用數(shù)學(xué)模型中的層次分析法建立生物材料的綜合評(píng)價(jià)體系，篩選出了比較重要的五個(gè)禺素，結(jié)合層次分析法探討了綜合評(píng)價(jià)抗凝血生物材料的生物相容性的方法。通過(guò)具體計(jì)算，可以得出各個(gè)影響因素的權(quán)重大小，由此就能一目了然地比較各種材料在其生物相容性上存在的差別，從而在綜合評(píng)價(jià)上顯示出其優(yōu)越性。
4、炭基生物醫(yī)學(xué)材科的發(fā)展
一種材料的發(fā)展與整個(gè)科學(xué)的發(fā)展是分不開(kāi)的，當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程的迅猛發(fā)展為生物材料提供了廣闊的發(fā)展空間，同時(shí)也帶來(lái)了越來(lái)越多的應(yīng)用條件限制。一旦某類材料不滿足這些條件，將會(huì)失去其發(fā)展空間。就炭基生物醫(yī)學(xué)材料而言，目前在組織工程和生物醫(yī)學(xué)工程中的納米技術(shù)兩方面初步有了相關(guān)的重要應(yīng)用。在組織工程方面，盡管炭纖維不能降解，但由于其優(yōu)秀的力學(xué)性能和良好的生物相容性，并可作為永久性植人體與新生組織相容，因而可以在肌腱和韌帶的組織工程重建中起關(guān)鍵作用。
盡管炭基生物醫(yī)學(xué)材料的優(yōu)點(diǎn)明顯，但在臨床大量使用方面則需克服如下缺點(diǎn)：
?、俦碚骼щy。由于炭基生物材料不溶、不熔，因此對(duì)其化學(xué)結(jié)構(gòu)的研究十分困難，同時(shí)通過(guò)基體化學(xué)改性也不可能。目前僅通過(guò)X射線衍射分析、紅外光譜以及光電子能譜表面分析等手段了解了物理形貌和晶型結(jié)構(gòu)、本體的化學(xué)基本結(jié)構(gòu)(不精確)、表面元素組成等，而對(duì)本體各原子間的化學(xué)構(gòu)成知之甚少。同時(shí)，炭基生物材料的改性也只局限于表面。
?、跀嗔秧g性低。炭基生物材料是類似陶瓷或玻璃結(jié)構(gòu)的材料，其斷裂韌性一般較低。
?、鄄唤到?。作為承力結(jié)構(gòu)材料，炭基生物材料不降解，力學(xué)性能能夠長(zhǎng)時(shí)間保持。但是目前進(jìn)行的組織工程研究從人工器官轉(zhuǎn)移到人造活器官，對(duì)生物材料的可降解性提出了新要求。因此，炭纖維在生物材料應(yīng)用的新領(lǐng)域受到很大限制。
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