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              炭纖維增強生物醫學復合材料
              發布時間: 2020/7/14
                炭纖維具有密度低、比強度高、比模量高、導電性好、比表面積高以及生物相容性良好等特點,在生物醫學領域中有廣泛的應用前景。炭纖維可使人工器官、人工骨、人工齒及人工肌腱在強度、硬度和韌性等多方面的性能顯著提高。活性炭纖維布具有大的毛細管活性和比表面積,其次炭纖維布本身無毒,也不會產生色素,所以可用于醫療的吸附材料,能有效地吸收微生物和化學物質,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、細菌和微生物等滲入淋巴和血液,大大縮短治愈時間。炭纖維網具有強度高、組織相容性好和不易老化等優點,還能誘發產生高質量的新生組織并沿纖維束生長,炭纖維網常常用于腹壁缺損的修補。炭纖維在修復韌帶和肌腱時,既可以提供必要的強度,也可以作為生物源供宿主組織轉化為新生的韌帶和肌腱,使之可以牢固地愈合。例如,由于炭纖維本身質地脆弱,耐剪切能力差,單束假體不能承受多軸應力,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,力學性能測試表明其延展性有所增加,初步應用于臨床,替代前交叉韌帶,修復肱三頭肌腱,取得滿意效果。目前具有生物醫學功能的炭纖維增強復合材料主要包括炭纖維增強炭基、炭纖維增強樹脂基和炭纖維增強其他基體復合材料。

                1、炭纖維增強樹脂基復合材料
                (1)炭纖維增強聚甲基丙烯酸甲酯復合材料
                聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)自誕生以來,一直作為醫用材料使用,如用于骨缺損填充修復的骨水泥以及牙體修復的復合樹脂等。近年來由于PMMA制備工藝簡單、生物相容性優良且成本低廉,被臨床廣泛應用,是制作義齒基托的主要材料。然而由于PMMA的力學性能較差,義齒基托折斷是困擾口腔科大夫和患者的一個難題。有調查表明,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PMMA得到的骨水泥,與純 PMMA相比,抗拉強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PMMA復合材料,復合材料的抗彎強度較甲基丙烯酸甲酯和丙烯酸甲酯有所增加。
                (2)炭纖維增強環氧樹脂基復合材料(CFRP)
                炭纖維增強環氧樹脂綜合了炭纖維和環氧樹脂的特性,其彈性大于金屬,強度又大于塑料和有機玻璃,將三者的優點結合于一體。CFRP接骨板具有彈性模量與骨近似的特點,應用于骨折內固定可以減少應力遮擋,避免鋼板取出后的再骨折。炭纖維增強環氧樹脂鵝頭接骨板(動力髁)如圖1所示。研究表明炭纖維編織布的層疊方式決定了CFRP接骨板的強度,這給臨床應用提供了選擇余地,如選擇強度高、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 炭纖維增強環氧樹脂鵝頭接骨板(動力髁)
                另外,許多動物試驗、材料力學測試和臨床應用隨訪證明,CFRP是一種比較理想的內固定材料,不易出現感染、異物反應、接骨板斷裂及骨不連接,效果令人滿意。
                (3)炭纖維增強聚氨酯基復合材料
                在眾多的高分子材料中,聚醚型聚氨酯因具有相對良好的生物相容性和優異的力學性能,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、導管和心室輔助循環系統等。為提高聚醚型聚氨酯的血液相容性,當前對其進行了大量的改性工作。但是迄今為止,還沒有一種改性的聚氨酯材料能夠完全滿足當前心血管系統臨床應用的高要求,例如制作小口徑血管移植物和全植入式人工心臟等。此外,目前大多數的改性方法在提高材料血液相容性的同時,會對材料的力學性能帶來一定的負面影響。
                由于納米炭的直徑與聚氨酯微觀結構中硬段微區的尺寸很接近,具有高表面自由能的納米炭材料,會與聚氨酯相互作用而形成一種新的表面含有單質碳的納米結構復合材料,該材料可以保持聚氨酯的力學性能,并使聚氨酯表面的血液相容性得到提高。
                2、炭纖維增強其他基體復合材料
                羥基磷灰石(HA)是人體骨骼中主要的無機鹽成分,具有優良的生物相容性和生物活性,能夠與骨形成較強的鍵合。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合物已成為研究熱點。其中以HA/高聚物復合材料的形式應用于臨床時,一方面可提高HA的韌性,另一方面,HA粉末對聚合物起彌散增韌、提高抗壓強度的作用,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生成的羥基磷灰石粉體中,將復合粉體壓制成型后于高溫氮氣保護氣氛常壓下可燒結制備短炭纖維增強羥基磷灰石生物復合材料。為提高復合材料的界面結合,采用低溫氧化法對炭纖維進行表面處理。測試結果表明,炭纖維的表面處理對力學性能有很大影響,可大大提高復合材料界面結合強度。此種制備方法具有纖維損傷度最小、炭纖維體積分數高以及操作便利等優點,常壓下燒結制備的短炭纖維增強羥基磷灰石生物復合材料是一種很有發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合的方法,制備了Cf-HA/PMMA生物復合材料。測試結果表明,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,所制備的復合材料具有較好的力學性能。
                3、炭纖維增強生物醫學復合材料的性能評價
                在生物材料性能評價的研究中,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生物材料產生反應的一種性能,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。現在普遍認為,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的生物材料要滿足的首要性能,是材料與宿主之間能否結合完好的關鍵。20世紀70年代,已經開始有關于生物材料生物學評價標準的研究,目前已經形成了從細胞水平到整體動物較完整的評價框架。至今,國際標準化組織(ISO)以10993編號發布了二十余個相關標準,同時對生物學評價方法也進行了標準化。源于當前社會有關動物保護的輿論呼吁,為減少動物試驗,國際上各國專家對體外評價方法進行了大量的研究,同時利用現代分子生物學手段來評價生物材料的安全性,使評價方法從整體動物和細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胞毒性試驗、遺傳性和致癌性試驗以及血液相容性評價方法等方面,但具體評價方法和指標都未統一,更沒有標準化。
                隨著材料生物相容性研究的不斷發展,評價生物材料對生物功能的影響也日益受到人們的重視。關于這方面的研究主要是體外法,具體來說側重于對細胞功能的影響和分子生物學評價方面的研究,麗涉及材料的化學穩定性、疲勞性能和摩擦磨損性能等方面的生物材料在人體內長期埋植的穩定性則是需要開展評價研究的另一個重要部分。
                霍丹群等以復鈣時問、血小板吸尉以及血漿蛋白的量等實驗為基礎,嘗試了用數學模型中的層次分析法建立生物材料的綜合評價體系,篩選出了比較重要的五個禺素,結合層次分析法探討了綜合評價抗凝血生物材料的生物相容性的方法。通過具體計算,可以得出各個影響因素的權重大小,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,從而在綜合評價上顯示出其優越性。
                4、炭基生物醫學材科的發展
                一種材料的發展與整個科學的發展是分不開的,當今生物醫學工程的迅猛發展為生物材料提供了廣闊的發展空間,同時也帶來了越來越多的應用條件限制。一旦某類材料不滿足這些條件,將會失去其發展空間。就炭基生物醫學材料而言,目前在組織工程和生物醫學工程中的納米技術兩方面初步有了相關的重要應用。在組織工程方面,盡管炭纖維不能降解,但由于其優秀的力學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鍵作用。
                盡管炭基生物醫學材料的優點明顯,但在臨床大量使用方面則需克服如下缺點:
                ①表征困難。由于炭基生物材料不溶、不熔,因此對其化學結構的研究十分困難,同時通過基體化學改性也不可能。目前僅通過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構、本體的化學基本結構(不精確)、表面元素組成等,而對本體各原子間的化學構成知之甚少。同時,炭基生物材料的改性也只局限于表面。
                ②斷裂韌性低。炭基生物材料是類似陶瓷或玻璃結構的材料,其斷裂韌性一般較低。
                ③不降解。作為承力結構材料,炭基生物材料不降解,力學性能能夠長時間保持。但是目前進行的組織工程研究從人工器官轉移到人造活器官,對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用的新領域受到很大限制。
               
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