复合材料人工颅骨的制备和表面改性方法 【技术领域】
本发明涉及用于修复人体颅骨缺损的复合材料人工颅骨的制备及其表面改性方法。
背景技术
由于交通和工伤事故以及脑疾病等原因，需施行颅骨修补成型术的患者逐年上升，我国每年颅骨损伤患者达50余万例，急待研究一种理想的颅骨替代材料。
已经用于颅骨缺损修复的材料主要是金属材料和高分子材料。其中金属材料，由于病人头部对外界温差反应敏感，使病人有不适感觉，而且长期温差变化会损伤脑组织。已广泛使用的聚甲基丙烯酸甲酯等高分子材料，具有生物相容性好，塑型加工方便等特点，但某些力学性能比人体颅骨差，主要是脆性、抗冲击性能较差、生物活性不理想等，不是理想的人工颅骨材料。
生物医用高分子复合材料，由于兼具医用高分子材料(如聚乳酸、聚甲基丙酸甲酯、聚乙醇酸等)和医用无机材料(如羟基磷灰石、磷酸钙等)的特点，被广泛应用于修复、替换人体组织和器官。Kokubo等的研究表明(Kokubo T.MaterialsScience Forum，1999，293：65-82)，新的骨组织只有通过在材料表面生成的类骨磷灰石层才能形成。Brui jn等认为(de Brui jn JD，Yuan H，Dekker R，et al.In：Davies ed.Bone Engineering，em squared incorporated，Toronto，Canada，2000：421-431)，生物材料表面类骨磷灰石层的形成是它具有骨诱导性的先决条件。
目前还没有文献报道，将聚甲基丙烯酸甲酯与生物无机纤维和羟基磷灰石微粉或β-磷酸三钙微粉复合材料用于颅骨修复，并对该材料表面进行改性，提高材料表面的生物活性和骨结合性。
【发明内容】
本发明的目的在于吸取生物医用高分子复合材料的特点，并对其表面进行改性，使其表面生成类骨磷灰石，提高材料的生物活性，用于颅骨缺损修复。本发明是以生物无机纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与羟基磷灰石微粉(HA)或β-磷酸三钙微粉(β-TCP)的复合材料为本体材料，利用多层复合技术和热压技术，制备出复合材料人工颅骨。将产品在模拟体液(SBF溶液)中使其改性，形成类骨磷灰石，提高材料表面的生物活性和骨结合性。
本发明的用于颅骨修复的复合材料，为多层结构。其材料组成包括聚甲基丙烯酸甲酯、生物碳纤维或玻璃纤维、羟基磷灰石微粉或β-磷酸三钙微粉，内部各层为生物碳纤维或玻璃纤维与聚甲基丙烯酸甲酯的均匀体，上下表面为涂覆羟基磷灰石微粉或β-磷酸三钙微粉与聚甲基丙烯酸甲酯的复合物层。
本发明的用于颅骨修复地复合材料，产品厚度为1.8～2.0mm。上、下表面有涂覆层的层厚度为0.35-0.45mm。
本发明的用于颅骨修复的复合材料的制备方法，按下述步骤进行：
(1)将甲基丙烯酸甲酯与聚甲基丙烯酸甲酯按5∶3质量比进行本体聚合，不需加其他引发剂；
(2)采用多层复合技术制作复合板，内部各层鋪一层生物碳纤维或玻璃纤维，就涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，做成为生物碳纤维或玻璃纤维与聚甲基丙烯酸甲酯的均匀体层，上下表面为涂覆羟基磷灰石微粉或β-磷酸三钙微粉与聚甲基丙烯酸甲酯复合物层，其中聚甲基丙烯酸甲酯是按步骤(1)所述的甲基丙烯酸甲酯与聚甲基丙烯酸甲酯按5∶3质量比的本体聚合物，其复合板层数和涂覆厚度满足产品厚度为1.8～2.0mm，上、下表面有涂覆层的层厚度为0.35-0.45mm的要求，所述的羟基磷灰石微粉或β-磷酸三钙微粉的涂覆厚度没有严格要求，涂覆均匀即可；
(3)将步骤(2)得到的复合板在55-65℃保温3小时以上，使其初步聚合；
(4)将步骤(3)得到的初步聚合板热模压，模压条件为：模具温度120-130℃、压力14-20MPa、保温2.5小时以上，待模具降至室温后脱模；
(5)步骤(4)得到的复合板进行表面抛光、打孔、修边、清洗、烘干即得到复合材料产品。
所述的复合材料的改性方法：首先将复合材料产品置于模拟体液中进行动态浸泡处理，处理温度为37±0.5℃，浸泡时间不少于5天，自然干燥后，置于80-90℃条件下热处理1小时以上，自然冷却即可。
复合材料改性所用的模拟体液按下述方法步骤配制，按配成总量500ml溶液计：
(1)称取3.997g NaCl、0.1764g NaHCO3、0.1118g KCl、0.1141g K2HPO4·3H2O、0.1525g MgCl2·6H2O、0.0355g Na2SO4，置于容器中，加入去离子水充分溶解、混匀；
(2)称取0.1387g CaCl2加入去离子水溶解后，将其逐滴加入步骤(1)得到的溶液中并辅助搅拌，配成总量500ml溶液，摇匀；
(3)称量1.5143g三羟甲基氨基甲烷，配制250ml的缓血酸胺，将缓血酸胺和1M的盐酸溶液调节步骤(2)得到的溶液的pH值至7.25±0.05，即得到模拟体液溶液。
本发明方法制备和表面改性的复合材料人工颅骨，用于修复人体颅骨缺损，具有生物活性高，骨结合性好的特点。
【附图说明】
图1复合材料人工颅骨制备工艺路线图
图2复合材料人工颅骨产品照片
图3a、3b分别为材料表面处理前、后的X射线衍射图
图4材料表面红外光谱图
图5a、5b、5c分别为材料表面处理前、处理3天、处理15天的扫描电镜图
图1所示工艺路线：玻璃纤维薄毡和甲基丙烯酸甲酯(MMA)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与羟基磷灰石微粉复合成复合板，干燥后，装于涂有一层脱模剂的模具中热压制板，脱模后，进行表面抛光、打孔、修边、清洗、烘干得人工颅骨产品。将人工颅骨产品置于模拟体液中进行表面处理。表面处理后进行材料表面结构和形貌观察、性能测试、合格产品应用于临床。
【具体实施方式】
实施例1
1、复合材料人工颅骨制备
制备方法是将甲基丙烯酸甲酯(MMA)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以5∶3(质量比)进行本体聚合，不加其他引发剂。采取多层复合技术制复合板，内部各层鋪一层生物玻璃纤维(或碳纤维)，就涂一层甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯本体聚合物，做成生物碳纤维或玻璃纤维和MMA与PMMA均匀体；上下表面为涂覆羟基磷灰石(HA)与MMA及PMMA复合物，做法是在甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸甲酯本体聚合物表面涂覆羟基磷灰石(或β-磷酸三钙)；将做的复合板放入烘箱内，温度控制在55-65℃，保温3h，使其初步聚合。然后采用热模压技术压制，设置模具的温度为120-130℃，涂一层脱模剂，压力为14-20MPa，保温2.5h，使材料完全固化。待模具温度降到室温时脱模，进行表面抛光、打孔、修边、清洗、烘干得到人工颅骨产品，产品照片见图2。
2、模拟体液的配制(配制500ml)
用电子天平准确称量下述组分，置入250ml的烧杯中，加入去离子水充分溶解、混匀，其中CaCl2单独配成水溶液，并将其逐滴加入并辅助搅拌。最后将溶液置入500ml的容量瓶中摇匀；
成分 NaCl NaHCO3 KCl K2HPO4·3H2O MgCl2·6H2O CaCl2 Na2SO4
质量(g) 3.997 0.1764 0.1118 0.1141 0.1525 0.1387 0.0355
称量1.5143g三羟甲基氨基甲烷，配制250ml的缓血酸胺。将缓血酸胺和1M的盐酸溶液调节模拟体液的pH值至7.25±0.05，用精密酸度计监测。
3、试样的表面处理
将人工颅骨产品置于模拟体液中，利用恒流泵使处理体系处于动态，温度控制在37±0.5℃，浸泡5天以上，自然干燥。再将产品置于烘箱中，在80-90℃条件下热处理1小时，自然冷却后，得改性的人工颅骨产品。
4、材料表面形貌观察分析及表征
表面处理后的材料表面结构和形貌利用扫描电镜观察、材料表面物相组成利用X射线衍射仪和红外光谱仪测定、材料表面的化学组成利用能谱分析。
材料表面处理前、后的X射线衍射测试结果分别示于图3a、3b。由图可见处理前材料为无定形，处理后为类骨磷灰石。
试样用模拟体液浸泡15天后其表面的红外光谱图见图4。图中[PO43-]的吸收谱线在1063cm-1处，[OH-]基团(氢键缔合羟基)的谱线则出现在1635cm-1、3428cm-1处，证明该试样的表面沉积物是类骨磷灰石。
试样用模拟体液处理前、处理3天、处理15天的扫描电镜测试结果分别示于图5a、5b、5c，由图可见，处理前材料表面只有分散均匀的羟基磷灰石颗粒，处理3天材料表面布满接近球形的类骨磷灰石颗粒，颗粒尺寸约为300nm左右，处理15天类骨磷灰石颗粒尺寸变大，呈密集分布。
用能谱对处理表面的Ca、P、O定量分析列于表1，从表中看出，3天时Cl的含量最多，其次是Ca和P的含量；9天后，P的含量增加，其次是Cl和Ca；15天后P的含量不断增加，Ca的峰值其次，其含量也不断增加，而Cl的含量不断下降，证明材料表面形成类骨磷灰石。
表1经处理的材料表面的主要成分和含量
Element(Wt％)\(Day) 3d 9d 15d
0 16.59 28.74 40.69
Na 26.34 9.90 5.52
Mg 0.92 2.29 3.54
P 7.76 15.09 18.94
Cl 38.42 23.27 7.55
K 0.94 1.12 1.15
Ca 9.02 19.58 22.61