碳纖維增強HA-PMMA骨修復材料的制備及性能研究.pdf

1、當骨組織因為創(chuàng)傷、感染、腫瘤及發(fā)育異常等原因實施手術剔除病變骨組織后，會造成大塊骨缺損，這時僅僅依靠骨自身的修復能力已經(jīng)無法愈合，必須進行骨移植手術，將合適的骨材料填充缺損部位，以便于新骨生長。移植骨的來源有自體骨、異體骨和人工骨材料。自體骨移植和異體骨移植存在供體有限和免疫排斥等諸多問題。因而發(fā)展以生物材料為基礎的人工骨材料是治療骨缺損的重要手段。理想的骨修復材料，應當具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性，與自然骨相匹配的良好的機械力學性能

2、。聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）從它誕生以來，就作為醫(yī)用材料使用，主要用于骨骼的替代或修復。近年來由于聚甲基丙烯酸甲酯操作簡單，生物相容性優(yōu)良，成本低廉，被臨床廣泛應用。但作為骨組織支撐材料，其力學性能很難滿足要求，而且在骨-水泥界面易形成纖維組織，既不能被吸收，也不利于骨長入。因此，研究者對PMMA生物材料進行了大量的改性研究，如采用羥基磷灰石、生物活性陶瓷或自然骨粉等顆粒來增強PMMA復

3、合材料，所制備的復合材料具有很好的生物相容性和生物活性，但其力學強度很難達到要求。然而，纖維增強復合材料具有比強度高、抗疲勞性能好、耐熱性能優(yōu)良等優(yōu)點，已被廣泛用于航空、航天、醫(yī)用及其他領域。因此，如果能綜合PMMA、納米羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）和纖維這三者的性能，揚長避短，優(yōu)勢互補，可望得到一種理想的骨修復替代材料。
　　 以丙烯腈短切碳纖維（short carbon fiber，Cf）為增強相，HA為

4、改性體，PMMA為基體，采用原位合成與溶液共混相結合的方法，制備了Cf-HA/PMMA生物復合材料。分別研究了短切碳纖維和HA表面改性、引發(fā)劑用量、水油比、反應溫度、碳纖維含量和HA質量分數(shù)對復合材料微觀結構和性能的影響。用X-射線衍射儀（XRD）、紅外吸收光譜儀（FTIR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜儀（EDS）和透射電鏡（TEM）等分析測試手段對材料的結構組成及斷面和表面的微觀形貌等進行測試和表征，使用萬能材料試驗機測試其力學性

5、能。
　　 研究結果表明：該合成工藝可以保證短切碳纖維和HA在基體PMMA中分布均勻，所制備的復合材料具有較好的力學性能。經(jīng)表面氧化的碳纖維和用卵磷脂改性后的HA與PMMA基體的界面結合性明顯得到改善，且制備的Cf-HA/PMMA復合材料的力學性能得到顯著提高。隨著碳纖維含量，BPO用量，水油比、反應溫度和HA質量分數(shù)的增大，Cf-HA/PMMA復合材料的力學性能呈先增大后減小的趨勢。當碳纖維的質量分數(shù)為4％、引發(fā)劑用量1.6w

6、t％、水油比為3：1、反應溫度為80℃和HA的質量分數(shù)為8％時，Cf-HA/PMMA復合材料的力學性能最佳。
　　 體外浸泡實驗表明，在磷酸鹽緩沖溶液中，Cf-HA/PMMA復合材料的吸水率比PMMA高。PMMA和Cf-HA/PMMA復合材料在水、生理鹽水和檸檬酸緩沖溶液介質中浸泡前后形貌和結構幾乎沒有變化，復合材料具有很好的化學穩(wěn)定性。體外模擬體液（SBF）浸泡試驗結果表明，在Cf-HA/PMMA復合材料表面有類骨磷灰石層形成