一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨及其制备方法与流程
本发明涉及一种人工骨，特别涉及一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨，还涉及其制备方法，属于生物医用假体。
背景技术：
1、胸壁的胸骨和肋骨同时缺损常见于肿瘤治疗干预后以及创伤因素直接损害等。临床上，胸壁骨性缺损直径大于5cm时，需进行胸壁骨性重建手术以到达以下目的：1)完整保护胸腔及上腹部脏器；2)保证完整的呼吸功能；3)重塑胸壁外形，最大程度保证胸壁结构的稳定性和美学效果，便于患者恢复自信。
2、现有技术中常用的胸肋骨性缺损置换有钛及钛合金、镍钛合金、不锈钢等，这些材料的机械性能与自体骨相容性较差，植入物松动或脱位，大面积质量大导致负债感强进而影响呼吸功能等诸多问题。以碳材料为基体、碳纤维及其织物等为增强体的碳纤维复合材料具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好、可设计性强等特点，其优异的生物相容性成为人工骨的理想材料。相比常规的金属植入材料，碳纤维复合材料主要优点为：1)质量轻，密度为不锈钢的1/5，钛合金的1/3；2)与人体组织不发生反应，能承受住体内酸碱环境的微妙变化而不变性；3)利于与周围的骨组织进行紧密结合，促进骨的生长；4)弹性模量在1～40gpa之间，与人体骨的弹性模量(1～30gpa)十分接近，可有效规避由假体应力遮挡而引起的骨吸收等并发症；5)碳纤维增强体具有良好的韧性，使断裂行为呈一定的塑性，避免材料突发断裂带来的重大风险。但是到目前为止，还未见利用碳纤维复合材料来构建胸肋一体人工骨。
技术实现思路
1、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碳纤维复合材料胸肋一体人工骨，该碳纤维复合材料胸肋一体人工骨具有以下特点：1)具有贯穿孔和横向微孔，便于生物介质输送，有利于组织附着长入，提高相容性，解决有技术中碳基人工骨中大孔不足，通孔率低，组织长入差的问题，2)具有足够强度，能保证胸廓的稳定，保护胸内重要脏器和组织，防止反常呼吸；3)具有可植入性，允许纤维组织附壁生长，性质稳定，不易发生感染，不致癌；4)具有可塑性，便于贴合胸廓外形；5)具有x光可透过性，具有射线可穿透性，便于术后复查和随访；6)弹性模量接近自体皮质骨，避免造成限制性肺通气功能障碍。
2、本发明的第二个目的是在于提供一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，该制备方法简单，成本低，易于批量化生产。
3、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，该方法包括以下步骤：
4、1)通过人体ct影像数据构建胸肋一体人工骨3d模型，通过所述3d模型设计凸凹模具；所述凸凹模具包括凸模和凹模，所述凸模和所述凹模的表面在垂直方向的相同位置分布有贯穿通孔，所述贯穿通孔用于插入棒材；
5、2)将碳纤维束或碳纤维绳编织成碳纤维条作为人工肋骨部分，以碳纤维织物作为人工胸骨部分；所述碳纤维条的一端嵌入至所述碳纤维织物中或所述碳纤维条贯穿所述碳纤维织物，得到碳纤维胸肋一体坯体；所述碳纤维织物由碳纤维非织造布和碳纤维机织布叠加形成，且碳纤维织物表面为碳纤维非织造布；
6、3)将碳纤维胸肋一体坯体置于凸凹模具中并在凸模和凹模表面的贯穿通孔中插入棒材后进行烘烤定形，再拆除棒材和凸凹模具并在碳纤维织物表面的部分棒材预留孔中穿入碳纤维束进行缝合，得到碳纤维胸肋一体人工骨预制体；
7、4)将碳纤维胸肋一体人工骨预制体通过化学气相法和/或浸渍-裂解法生成碳基体和/或碳化硅基体和/或碳化钽基体，即得。
8、本发明采用碳纤维非织造布和碳纤维机织布通过叠加缝合或针刺复合来构建胸骨，由于碳纤维非织造布致密度低，其孔隙率高，但其力学性能较差，而碳纤维机织布致密度高，其孔隙率低，但其力学性能较好，将两者叠加复合构建的胸骨不但具有较好的力学性能，而且具有丰富的内部孔隙，其胸骨表面具有贯穿通孔，同时碳纤维非织造布为胸骨提供横向的孔隙，便于生物介质输送，有利于组织附着长入，提高相容性，解决有技术中碳基人工骨中大孔不足，通孔率低，组织长入差的问题，而碳纤维机织布主要赋予胸骨较好的力学性能。
9、作为一个优选的方案，所述碳纤维束为1k、3k、6k、12k、18k、24k、36k、40k或48k碳纤维。
10、作为一个优选的方案，所述碳纤维绳由多股碳纤维束同向螺旋加捻形成碳纤维绳。
11、作为一个优选的方案，所述碳纤维条由多股碳纤维束或碳纤维绳通过二维编织成碳纤维条。二维编织常见的为菱形编织、规则编织或赫格利斯编织等。碳纤维绳和碳纤维束通过编织后其力学性能大幅提高，能够满足人工肋骨性能要求。
12、作为一个优选的方案，所述碳纤维条的宽度为6～20mm，厚度为1.5～5.5mm。其尺寸主要是仿形人体肋骨。
13、作为一个优选的方案，所述碳纤维非织造布的面密度为20～100g/m2；进一步优选为40～80g/m2。
14、作为一个优选的方案，所述碳纤维机织布的面密度为100～400g/m2；进一步优选为120～360g/m2。所述机织布包括平纹布、斜纹布或缎纹布。
15、本发明涉及的碳纤维非织造布和碳纤维机织布的面密度主要影响其力学性能和孔隙率，因此需要严格控制碳纤维非织造布和碳纤维机织布的面密度。
16、作为一个优选的方案，所述碳纤维织物中碳纤维非织造布和碳纤维机织布按照以下方式进行叠加：以一层碳纤维非织造布和一层碳纤维机织布叠加作为一个单元层，以多个单元层叠加至总厚度达到8～20mm，且单元层与单元层之间接触方式为同面接触或异面接触，表面单元层中碳纤维非织造布设置在外侧。由于碳纤维非织造布中碳纤维呈非规整排列、体积含量低，其孔隙度高，与生物组织接触面大，可促进组织的再生，有利于加快修复处功能的恢复。
17、作为一个优选的方案，所述碳纤维胸肋一体坯体的表面均匀分布有小孔，小孔呈矩阵或梅花分布，孔间距为5～20mm。碳纤维胸肋一体坯体中碳纤维织物部分上的小孔其孔径φ＝2.5～4.5mm，碳纤维条部分上的小孔孔径φ＝1.5～2.5mm。
18、作为一个优选的方案，所述烘烤定型的条件为：在150～300℃温度下烘烤1～4h。
19、作为一个优选的方案，所述化学气相法生成碳基体的条件为：采用气体碳源，在850～1250℃温度下，沉积30～120h。
20、作为一个优选的方案，所述浸渍-裂解生成碳基体的条件为：采用树脂(酚醛树脂、呋喃树脂、糠酮树脂等)或沥青作为碳源，通过浸渍、固化和裂解形成碳基体；浸渍压力为2.0～6.0mpa，浸渍时间为5～15h；固化温度为180～250℃，固化时间为10～50h；树脂的裂解温度为900～1050℃，裂解压力为常压，裂解时间为5～20h；沥青的裂解温度为750～850℃，裂解压力为50～200mpa，裂解时间为5～20h。
21、作为一个优选的方案，所述化学气相法生成碳化硅基体的条件为：采用氯硅烷为碳硅源，在1000～1400℃温度下，沉积40～100h。
22、作为一个优选的方案，所述浸渍-裂解生成碳化硅基体的条件为：以有机聚硅烷作为碳硅源，通过浸渍、固化、裂解和陶瓷化形成碳化硅基体；浸渍压力为2.0～6.0mpa，浸渍时间为5～15h；固化温度为180～250℃，固化时间为10～50h；裂解温度为800～1200℃，裂解时间为5～20h；陶瓷化温度为1250～1650℃，陶瓷化时间为2～10h。
23、作为一个优选的方案，所述化学气相沉积生成碳化钽基体的条件为：以卤化钽为钽源，采用气体碳源，在1200～2000℃温度下，沉积40～100h。卤化钽例如五氯化钽、五氟化钽。气体碳源例如天然气。
24、作为一个优选的方案，所述浸渍-裂解生成碳化钽基体的条件为：以有机钽盐(乙醇钽等)作为碳钽源，通过浸渍、固化、裂解和陶瓷化形成碳化钽；浸渍压力为2.0～6.0mpa，浸渍时间为5～15h；固化温度为180～250℃，固化时间为10～50h；裂解温度为900～1200℃，裂解时间为5～20h；陶瓷化温度为1300～1800℃，陶瓷化时间为2～10h。
25、本发明的碳纤维复合材料胸肋一体人工骨中碳基体、碳化硅基体和碳化钽基体可以以一种、两种或三种同时存在，比如需要形成碳与碳化硅或碳化钽的复合基体时，可以先形成碳化硅或碳化钽基体，再形成碳基体，或者，先形成碳基体，再形成碳化硅或碳化钽基体。
26、本发明的碳纤维胸肋一体人工骨预制体通过化学气相法和/或浸渍-裂解法生成碳基体和/或碳化硅基体和/或碳化钽基体后，进行常规机加工，机加工包括切割边缘，打磨表面等等。
27、本发明的碳纤维复合材料胸肋一体人工骨可以根据需要在其表面进一步沉积pyc涂层、掺钽dlc涂层、碳化钽涂层。
28、本发明还提供了一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨，其由所述制备方法得到。
29、本发明的碳纤维复合材料胸肋一体骨包括1个刚性胸骨和若干柔性肋骨(最多10根)两部分组成，两部分表面都设有贯穿孔。
30、其中，胸骨厚度为8～20mm，宽度为20～60mm，其表面带贯穿小孔，其由多个单元层叠加构成，每个单元层都由a(碳纤维非织造布形成)和b(碳纤维机织布形成)叠加构成，如ab……abcab……ba或ab……abcba……ba，b层碳纤维体积含量60～75％，基体体积含量为15～20％，孔隙率为5～25％，厚度为0.5～2mm，a层碳纤维体积含量为20～30％，基体体积含量为20～30％，孔隙率为40～60％，厚度为1～5mm，c层为嵌入胸骨的碳纤维条，层间通过碳纤维过孔缝合，其力学性能拉伸强度为90mpa以上，拉伸模量为10～20gpa，弯曲强度为90～150mpa。胸骨上设有贯穿孔，还存在大量横向连通的小孔，便于生物介质输送，有利与组织附着长入，提高相容性。
31、其中，肋骨厚度为1.5～5.5mm，宽度为6～20mm，力学性能轴向拉伸强度为120mpa以上，拉伸模量为3～10gpa，弯曲强度为40～80mpa。其中，肋骨中有大量贯穿孔，且直径为50～300μm的孔体积占比30～50％，有利于骨长成，与自体骨形成骨性连接。
32、贯穿孔(胸骨部分孔径φ2.5～4.5mm，肋骨部分孔径φ1.5～2.5mm，孔间距5～20mm)的作用：便于硬组织连接固定和软组织固定，硬组织连接固定为临床手术中与自体骨连接，软组织固定为便于胸壁组织穿透生长，最终达到生物学固定。
33、本发明通过人体ct影像数据构建胸肋一体人工骨3d模型以及通过3d模型设计凸凹模具的方法为现有技术中常规的方法。凸凹模具一般采用钢材或碳材料等。
34、相对现有技术，本发明技术方案带来的有益技术效果：
35、本发明提供的碳纤维复合材料胸肋一体人工骨相比现有的金属材料人工骨具有以下明显优势：1)具有贯穿孔和横向微孔，便于生物介质输送，有利于组织附着长入，提高相容性，解决有技术中碳基人工骨中大孔不足，通孔率低，组织长入差的问题，2)具有足够强度，能保证胸廓的稳定，保护胸内重要脏器和组织，防止反常呼吸；3)具有可植入性，允许纤维组织附壁生长，性质稳定，不易发生感染，不致癌；4)具有可塑性，便于贴合胸廓外形；5)具有x光可透过性，具有射线可穿透性，便于术后复查和随访；6)弹性模量接近自体皮质骨，避免造成限制性肺通气功能障碍。
36、本发明提供的碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法简单，成本低，易于批量化生产。
技术特征：
1.一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：所述碳纤维条的宽度为6～20mm，厚度为1.5～5.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：
5.根据权利要求1或4所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：所述碳纤维织物中碳纤维非织造布和碳纤维机织布按照以下方式进行叠加：以一层碳纤维非织造布和一层碳纤维机织布叠加作为一个单元层，以多个单元层叠加至总厚度达到8～20mm，且单元层与单元层之间接触方式为同面接触或异面接触，表面单元层中碳纤维非织造布设置在外侧。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：所述碳纤维胸肋一体坯体的表面均匀分布有小孔，小孔呈矩阵或梅花分布，孔间距为5～20mm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：所述烘烤定型的条件为：在150～300℃温度下烘烤1～4h。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨的制备方法，其特征在于：
9.权利要求1～8任一项所述的一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨，其特征在于：
技术总结
本发明公开了一种碳纤维复合材料胸肋一体人工骨及其制备方法，属于生物医用假体技术领域。胸肋一体人工骨的制备方法步骤如下：1)通过三维建模设计胸肋一体人工骨模具；2)利用模具辅助碳纤维织物成型形成碳纤维胸肋一体人工骨预制体；3)烘烤定型，4)复合基体碳。胸肋一体人工骨具有多孔结构，解决现有技术中碳基人工骨中大孔不足，通孔率低，组织长入差等技术问题，且具有足够强度、可塑性、X光可透过性，以及弹性模量接近自体皮质骨等优势。
技术研发人员：谭周建,廖寄乔,张翔,刘波,胡康日,蔡志霞
受保护的技术使用者：湖南碳康生物科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23