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一种个性化的碳陶复合材料接骨板及其制备方法技术

技术编号:18238722 阅读:30 留言:0更新日期:2018-06-17 02:26
本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术工艺适应性强,效果好,便于大规模应用。 1

A personalized carbon ceramic composite bone plate and its preparation method

The invention belongs to the technical field of carbon ceramic composite materials and the technical field of biological medical materials, in particular to a personalized carbon ceramic composite plate plate and a preparation method. The short cut carbon fiber in the personalized carbon ceramic composite plate designed by the invention is distributed uniformly or inhomogeneous in a structure frame with a resin carbon coated on the surface, and the functional layer containing the BMP active protein can also be stored in an inhomogeneous distribution mode. The invention is the first attempt to combine the stress analysis with the arrangement of short cut carbon fiber and the distribution mode of BMP active protein, and the carbon ceramic composite plate which is better for the patient to recover quickly and quality is obtained. The invention has strong adaptability and good effect, and is suitable for large-scale application. One

【技术实现步骤摘要】
一种个性化的碳陶复合材料接骨板及其制备方法
本专利技术属于碳陶复合材料
和生物医用材料
,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。
技术介绍
骨骼是组成脊椎动物骨骼内骨骼的坚硬器官,功能是运动、支持和保护身体;制造红血球和白血球;储藏矿物质。骨折是指骨结构的连续性完全或部分断裂。多见于儿童及老年人,中青年人也时有发生。接骨板内固定是目前临床治疗骨折常用的手段。人体骨骼虽然大体形貌相似,但不同年龄、不同性别、不同身体发育状况下骨骼结构仍存在较大差异,所以接骨板产品具有极高的个性化特点,标准、系列化的产品往往对一些患者不合适。而且,目前国内使用的产品设计参数大部分以模仿西方产品为主,不能满足患者个体化需求。因此,需要设计制造个性化的接骨板产品来满足不同病人骨骼结构的要求。随着材料科学和组织工程学的迅速发展,采用无机复合材料接骨板已经成为材料学和医学的研究重点。在早期的临床应用中,金属材料以其良好的机械强度和耐疲劳性能,成为首选的接骨板材料,但由于重金属离子具有毒性、材料易被腐蚀,且在影像学检查上会产生金属伪影和应力遮挡效应,易造成骨质疏松,这些缺点使得金属材料逐渐退出研究热点。碳陶复合材料继承了碳材料的无毒、化学稳定、生物相容性优越等优点,同时具有韧性好、强度高、弹性模量与骨接近的特点,是发展接骨板产品的有利材料。随着数字化和软件技术的发展我们可以利用软件重建骨折三维模型,实现骨折块复位、设计数字化接骨板、螺钉等并完成虚拟内固定甚至三维有限元分析。骨重建、复位和虚拟内固定有助于医生准确判断伤情、制定合理的手术方案、缩短手术时间很大程度上避免术中的误判和遗漏。有限元分析则进行虚拟状态下骨与接骨板的生物力学分析,从功能角度评价内固定的优劣,帮助选择、处理内固定接骨板,提高内固定失败的防范能力。数字化技术可反复操作的特性,能对设计方案进行反复的模拟、改动并多角度验证,从而达到设计最合理的、个性化的手术方案。近年来兴起的3D打印技术实现了虚拟手术向现实的迈进,为个体化接骨板制造提供便捷的途径。3D打印从产品设计到产品成型耗时短、材料少,是作为个性化产品快速生产的有效途径。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足,提供一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法,有效解决传统接骨板形态和力学适配度低无法个性化定制的问题以及金属接骨板弹性模量与人骨不匹配导致骨修复受损的不足之处。本专利技术通过下述技术方案实现:本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板;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、优选为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。本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板;所述接骨板内短切碳纤维占接骨板总质量的15~26%。本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板;氧化物陶瓷颗粒占接骨板总质量的3~5%。本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板;SiC基体的质量占接骨板总质量的20~40%。本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板;含BMP活性蛋白的功能层占接骨板总质量的0.5~1.0%。本专利技术一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法;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(CVI)炉中进行热解碳沉积,一方面是制备的碳界面层可以保护短切碳纤维,另外一方面是进一步提高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;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,得到一种个性化碳陶复合材料接骨板。考虑到人体自身修复功能,以及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数据;在应力最大的区域;选择浸渍较多的含BMP明胶缓释微球的壳聚糖;应力最大区域浸渍后,所得含BMP活性蛋白的功能层中BMP活性蛋白的含量为个性化碳陶复合材料接骨板中BMP活性蛋白平均含量的1.1-1.25倍。具体施工时,先将其他区域(除应力较大的其他区域,定义该区域所对应的应力耦合值小于等于应力最大耦合值的0.9)用隔离物质(包括锡纸、油纸)包裹起来;浸渍1-3次后;剥离隔离物质;然后在进行提拉浸渍。也可针对应力最大区域先进行喷涂含BMP活性蛋白分子的明胶缓释微球1-3次;然后在进行整体浸渍。本专利技术所述的一种个性化的碳陶复合材料接骨板的制备方法;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。输入图像后通过Organizeimages可删除与骨折关系不大的层面以减少工作量。然后,用“profileline”测量骨的Hu(HounsfieldU本文档来自技高网
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一种个性化的碳陶复合材料接骨板及其制备方法

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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“profileline”测量骨的Hu值曲线,根...

【专利技术属性】
技术研发人员:肖鹏李专江天慧
申请(专利权)人:中南大学
类型:发明
国别省市:湖南,43

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