（材料学专业论文）c3dep复合材料的制备及材料生物相容性的研究.pdf

摘要摘要 本文采用r t m工艺制备c 3 夕 e p 复合材料，进行了弯曲、剪切、冲击、拉伸等力学性能实验，分析了编织参数对各项性能的影响，并制备出 形状复杂的c 3 d / e p复合材料骨折内固定物一一髓内针和人工锥板， 优化了r t m工艺参数。 对几种树脂基复合材料进行了细胞毒性实验，采用直接接触法将3 t 3 细胞直接接种材料表面、 培养并对细胞生长形态进行观察， 标本固定后进行s e m分析; 并对这几种材料进行了 溶血实验， 分析了 材料对血浆游离血红蛋白( f h b ? ,结 合 珠 蛋白( h p ) 两 项 人 体 血液 指 标的 影响; 在 体 外实 验 基 础 上， 对 c 3 d /e p复合材料内固定物进行了山 羊的大动物体内 植入实验。 结果表明c 3 d/ e p 复合材料表面细胞生长形态正常， 帖附良 好， 优于其它几种树脂基复合材料; c 3 d / e p 复合材料对人血的f h b 和h p 两项指标影响 均在正常 值范 围 内 : 动 物体内 植 入 后 无明 显炎 症反 应， 骨组 织 生 长良 好， 并 与 种 植 物结合紧密。 c 3 d / e p 复合材料力 学性能比 传统 骨折固定材料与人 骨更匹配， 具 有良 好的生物相容性。 在骨折内 固定器械领域有极大发展潜力。关键词:复合材料; 三维编织碳纤维;力学性能;生物相容性; 骨折内固定abs tractabs tract 3 d - b r a i d e d c a r b o n fi b e r re i n f o r c e d e p o x y c o m p o s i t e s h a d b e e n p r e p a r e d f o r b o n ef r a c t u r e fi x a t i o n b y r t m p r o c e s s . me c h a n ic a l p r o p e r ti e s s u c h a s b e n d , s h e a r ,i m p a c t a n d t e n s i l e p r o p e r t i e s o f c 3 d / e p c o m p o s i t e s w e r e i n v e s t i g a t e d . c o m p l e xf i g u r e d b i o m a t e r i a l s - a c u s i n t h e m a r r o w a n d v e rt e b r a w e r e m a d e . r t m st e c h n o l o g ic a l p a r a m e t e r s w e r e o p t i m i z e d . c y t o t o x i c i t y t e s t i n g b y d i r e c t c e l l c o n t a c t m e t h o d w a s c a r r i e d o n s e v e r a l r e s inm a t r ix c o m p o s i t e s . c y t o t o x i c i t y w as as s e s s e d b y d ir e c t c e l l c o n t a c t t e s t 3 t 3 c e l l s e mm o r p h o l o g y a ft e r c o n t a c t w i t h s e v e r a l r e s i n m a t ri x c o m p o s i t e s . h e m o c o m p a t i b i l it yw e r e i n v e s t i g a t e d b y f h b a n d h p o f h u m a n b o d y b l o o d , o n s u c h f o u n d a t i o n , i m p l a n tt e s t s w e re d o n e a f t e r t h r o u g h i m p l a n t i n g c 3 o / e p a c u s i n t h e m a r r o w a n d v e rt e b r a ing o a t s . t h e r e s u l t s o f t h e p r e s e n t s t u d y s h o w t h a t c 3 d / e p c o m p o s it e s o n d ir e c t c o n t a c td i d n o t i n d u c e a n y c y t o t o x i c e ff e c t s o n 3 t 3 c e l l m o r p h o l o g y , t h e f h b a n d h p o fh u m a n b o d y b l o o d a ft e r i n fl u e n c e d b y c 3 d / e p c o m p o s i t e s w e r e e q u a l i n t h e n o r m a lv a l u e s c o p e . n o i n fl a m m a t o r y r e a c t io n w a s f o u n d i n g o a t s . b o n e t i s s u e w as c o m b i n e dw i t h t h e c o m p o s it e c l o s e ly a n d g r e w w e l l . c 3 d / e p c o m p o s i t e s s h o w b e t te r m e c h a n i c a l p r o p e rt i e s in c o n t r as t t o t r a d it i o n a lb o n e f r a c t u r e fi x a t i o n m a t e ri a l s a n d h a v e g o o d b i o c o m p a t i b i l i t y . i t i s a k in d o fp r o m i s i n g m a t e r i a l f o r b o n e i n t e rn a l fi x a t i o n .k e y w o r d s : c o m p o s i t e , 3 d - b r a i d e d c a r b o n fi b e r , m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ,b i o c o m p a t i b i l i t y , b o n e i n t e rn a l fi x a t i o ni f独创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 2兹日鱿色或 其 他 教 育 机 构 的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。乃才|1主万ha学位论文作者签名签 字 日 期 ， 护令 口 今 年y y / 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解有关保留、 使用学位论文的规定。特 授 权 达建人 生 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检索，并采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门 或机构送交论文的 复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名签 字 日 期 :d ,v,v (g _) -,q刁 日导 师 签 名 多嘛、妇，军 仁签 字 日 期 护 砂 裤 a 习日第一章绪论第一章绪 论1 . 1生物医用材料 在科学技术不断向 广度和深度发展的今天，人们越来越重视生命科学的研究。 在诸多研究工作中， 生命体器官及器官部分功能替代装置的研究近年来取得了长足的进展， 成为推动医学研究发展的重要领域。 可以说， 从头盖骨到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤， 从血液到五官， 大都有了代用人工器官。 有理由相信， 在不 远的 将来， 除了大脑以 外， 机体所有的 组织和器官的 人工再造在很大程度上依赖 于 生 物医 用 材 料的 发 展与 创 新m1 . 1 . 1生物医用材料的定义 生物医用材料的定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。8 0年代末， 美国c l e n s o n 大学生物材料顾问 委员会将生物材料定义为“ 与活体接合的人工非生命材料” 。随 着人体植入材料发展到包括活组织如细胞体外繁殖长出的组织等， 这种狭义的定义己趋淘汰。1 9 9 2 年美国j .b l a c k 教授在 材料的生物学性能 一书中， 定义生物材料为“ 用于取代、 修复活组织的天然或人造材料。 ”我国 1 9 9 4年出版的 材料大辞典将生物材料定义为 “ 用以和生物系统结合，以 诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料” 。由此可见，生物医用材料实际上是一种特殊的功能材料， 是研制人工器官及一些医疗器具的物质基础， 是一种与人类的生命和健康密切相关的新型材料。 国际上将这类材料统称为生物医 用材料( b i o m e d i c a l m a t e ri a l s ) 或生物材料( b i o m a t e ri a l s ) . 生物医用材料就是一类可以 对有机体细胞和器官进行诊断、 替代、 或诱导再生的 特殊功能 材料2 1 。 生 物医 用材料是一门 设计材料学、 医学及生命科学的 交叉学科，是 现代医学和材料科学的 重要领域之一 3 1 . 1 .2 生物医用材料的分类 根据材料的 属性， 生 物材料可以 分为以 下五大类4 . ( 1 ) 生 物医 用金属材料( b i o m e d i c a l m e t a l l i c m a t e ri a l s ) 生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金。 又称外科用金属材料( s u r g i c a l m e t a l ) 或医 用金 属 材料， 是一 类 生 物 惰性 材 料。 医 用金属 材 料 具有高的第一章绪论第一章绪 论1 . 1生物医用材料 在科学技术不断向 广度和深度发展的今天，人们越来越重视生命科学的研究。 在诸多研究工作中， 生命体器官及器官部分功能替代装置的研究近年来取得了长足的进展， 成为推动医学研究发展的重要领域。 可以说， 从头盖骨到脚趾骨，从人体的内脏到皮肤， 从血液到五官， 大都有了代用人工器官。 有理由相信， 在不 远的 将来， 除了大脑以 外， 机体所有的 组织和器官的 人工再造在很大程度上依赖 于 生 物医 用 材 料的 发 展与 创 新m1 . 1 . 1生物医用材料的定义 生物医用材料的定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的。8 0年代末， 美国c l e n s o n 大学生物材料顾问 委员会将生物材料定义为“ 与活体接合的人工非生命材料” 。随 着人体植入材料发展到包括活组织如细胞体外繁殖长出的组织等， 这种狭义的定义己趋淘汰。1 9 9 2 年美国j .b l a c k 教授在 材料的生物学性能 一书中， 定义生物材料为“ 用于取代、 修复活组织的天然或人造材料。 ”我国 1 9 9 4年出版的 材料大辞典将生物材料定义为 “ 用以和生物系统结合，以 诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料” 。由此可见，生物医用材料实际上是一种特殊的功能材料， 是研制人工器官及一些医疗器具的物质基础， 是一种与人类的生命和健康密切相关的新型材料。 国际上将这类材料统称为生物医 用材料( b i o m e d i c a l m a t e ri a l s ) 或生物材料( b i o m a t e ri a l s ) . 生物医用材料就是一类可以 对有机体细胞和器官进行诊断、 替代、 或诱导再生的 特殊功能 材料2 1 。 生 物医 用材料是一门 设计材料学、 医学及生命科学的 交叉学科，是 现代医学和材料科学的 重要领域之一 3 1 . 1 .2 生物医用材料的分类 根据材料的 属性， 生 物材料可以 分为以 下五大类4 . ( 1 ) 生 物医 用金属材料( b i o m e d i c a l m e t a l l i c m a t e ri a l s ) 生物医用金属材料是用作生物医学材料的金属或合金。 又称外科用金属材料( s u r g i c a l m e t a l ) 或医 用金 属 材料， 是一 类 生 物 惰性 材 料。 医 用金属 材 料 具有高的第一章绪论机械强度和抗疲劳性能， 是临床应用最广泛的承力植入材料。 除应具有良 好的力学性能及相关的物理性质外， 医用金属材料还必须具有优良的抗生理腐蚀性和生物相容性。已 应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、 钻基合金和钦基合金等三大类。 此外，还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属担、 妮、 错等。医用金属材料主要用于骨和牙等硬组织修复和替换， 心血管和软组织修复以及人工器宫的制造。 在骨科中主要用于制造各种人工关节， 人工骨及各种内、外固定器械; 牙科中主要用于制造义齿、 充填体、 种植体、 矫形丝及各种辅助治疗器件。 金属材料还参与制作各种心瓣膜、肾瓣膜、 血管扩张器、 人工气管、人工皮肤、 心脏起搏器、 生殖避孕器材及各种外科辅助器件等， 也是制造人工器官或其辅助装置的重要材料。 医用金属材料应用中的主要问题是由 于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散及植入材料自 身性质的蜕变， 前者可能导致毒副作用， 后者导致植入失败。 ( 2 ) 生 物 医 用高 分 子 材 料 ( b io m e d ic a l p o ly m e r ) 生物医用高分子材料，可来自 人工合成， 也可来自 天然产物。除应满足一般物理、 化学性能要求外， 还必须满足生物相容性要求。 医用高分子按性质可分为非降解型和可生物降解型。非降解型高分子包括聚乙 烯、聚丙烯、聚丙烯酸m f 1 ,芳香聚酷、 聚硅氧烷、 聚甲醛等， 要求其在生物环境中能长期保持稳定， 不发生降解、 交联或物理磨损等， 并具有良 好的物理机械性能。 虽然不存在绝对稳定的聚合物， 但是要求其本身和降解产物不对机体产生明 显的 毒副作用。 同时材料不致发生灾难性破坏。 主要用于人体软、 硬组织修复体、 人工器官、 人造血管、 接触镜、 膜材、 粘接剂和管腔制品等的制造。 可生物降解型高分子包括胶原、 线性脂肪族聚醋、甲壳素、 纤维素、 聚氨基酸、聚乙烯醇、 聚己丙醋等， 可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变， 要求其降解产物能通过正常的新陈代谢或被机体吸收利用或被排出体外，主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。 按使用目的或用途， 医用高分子材料可分为心血管系统、 软组织、 硬组织等修复材料。 用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好， 不破坏红细胞、 血小板， 不改变血液中的蛋白 和不干扰电 解质等。 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、 应用最为广泛、 用量最大的材料。 也是一个正在迅速发展的领域。 ( 3 ) 生 物医 用 无 机 非 金 属 材 料 或 称生 物 陶 瓷 ( b io m e d i c a l c e r a m ic s ) 生物医用无机非金属材料，又称生物陶瓷。 包括陶瓷、玻璃、 碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良 好的生物相容性。根据其生物性能，生物陶瓷可分为二类: 近于惰性的生物陶瓷， 如氧化铝、 氧化错以 及医用碳素材料等。 这类陶瓷材料的结构都比较稳定， 分子中的键力较强。 而且都具有较高第一章绪论的强度、 耐磨性及化学稳定性。 生物活性陶瓷， 如经基磷灰石、 生物活性玻璃等， 在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与生体组织形成化学键性结合; 可降解吸收陶瓷， 如石膏、 磷酸三钙陶瓷， 在生理环境中可被逐步降解和吸收， 并随之为新生组织替代， 从而达到修复或替换被损坏组织的目的。 各种不同种类的生物陶瓷的物理、 化学和生物性能差别很大， 在医学领域有着不同的用途。尤其是生物活性陶瓷更有不可估量的发展前途。 临床应用中， 生物陶瓷主要存在的问题是强度和韧性较差。 氧化铝、 氧化错陶瓷耐压、 耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都要好， 但也存在脆性大的问题。 生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的要求。 ( 4 ) 生 物医 用复 合 材 料 ( b i o m e d i c a l c o m p o s it e s ) 生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。主要用于 修复或替换人体组织、 器官或增进其功能以 及人工器官的 制造。 不同于一 般的复合材料， 生物医用复合材料除 应具有预期的物理化学性质之外， 还必须满足生物相容性的要求。 为此， 不仅要求组分材料自 身必须满足生物相容性要求。而且复合之后不允许出 现有损材料生物学性能的性质。 医用高分子材料、 医用金属和合金以及生物陶瓷均既可作为生物医用复合材料基材， 又可作为其增强体或填料， 它们相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医用复合材料。 利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医用材料，大大改善了其生物学性能， 并可使其具有药物治疗功能， 己 成为生物医用材料的一个十分重要的发展方向。 它们也可视为一类新型的生物医用复合材料。 根据材料植入体内 后引 起的组织反应类型和水平， 生物医用复合材料可分为近于生物惰性的、 生物活性的、 可生物降解和吸收的三种基本类型。 人和动物体中绝大多数组织均可视为复合材料， 生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。 ( 5 ) 生 物 衍生 材 料 ( b i o l o g ic a ll y d e r iv e d m a t e r ia ls ) 生物衍生材料是由 经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料， 又称生物再生材料。 生物组织可取自 同种或异种动物体的组织; 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、 灭菌和消除抗原 性的较轻微的处理， 该方法已 在临床上广泛应用。 同时也促使人们研究经基磷灰石系列的各种形式复合材料， 以 期获得力学性能优良、 生物活性好的生物医用复合材料。 较有代表性的如氧化错增韧经基磷灰石陶瓷材料、金属基轻基磷灰石涂层材料等。1 . 1 . 3生物医用材料研究开发的意义生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义第一章绪论的强度、 耐磨性及化学稳定性。 生物活性陶瓷， 如经基磷灰石、 生物活性玻璃等， 在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与生体组织形成化学键性结合; 可降解吸收陶瓷， 如石膏、 磷酸三钙陶瓷， 在生理环境中可被逐步降解和吸收， 并随之为新生组织替代， 从而达到修复或替换被损坏组织的目的。 各种不同种类的生物陶瓷的物理、 化学和生物性能差别很大， 在医学领域有着不同的用途。尤其是生物活性陶瓷更有不可估量的发展前途。 临床应用中， 生物陶瓷主要存在的问题是强度和韧性较差。 氧化铝、 氧化错陶瓷耐压、 耐磨和化学稳定性比金属、有机材料都要好， 但也存在脆性大的问题。 生物活性陶瓷的强度则很难满足人体承力较大部位的要求。 ( 4 ) 生 物医 用复 合 材 料 ( b i o m e d i c a l c o m p o s it e s ) 生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料。主要用于 修复或替换人体组织、 器官或增进其功能以 及人工器官的 制造。 不同于一 般的复合材料， 生物医用复合材料除 应具有预期的物理化学性质之外， 还必须满足生物相容性的要求。 为此， 不仅要求组分材料自 身必须满足生物相容性要求。而且复合之后不允许出 现有损材料生物学性能的性质。 医用高分子材料、 医用金属和合金以及生物陶瓷均既可作为生物医用复合材料基材， 又可作为其增强体或填料， 它们相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医用复合材料。 利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物医用材料，大大改善了其生物学性能， 并可使其具有药物治疗功能， 己 成为生物医用材料的一个十分重要的发展方向。 它们也可视为一类新型的生物医用复合材料。 根据材料植入体内 后引 起的组织反应类型和水平， 生物医用复合材料可分为近于生物惰性的、 生物活性的、 可生物降解和吸收的三种基本类型。 人和动物体中绝大多数组织均可视为复合材料， 生物医学复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。 ( 5 ) 生 物 衍生 材 料 ( b i o l o g ic a ll y d e r iv e d m a t e r ia ls ) 生物衍生材料是由 经过特殊处理的天然生物组织形成的生物医用材料， 又称生物再生材料。 生物组织可取自 同种或异种动物体的组织; 特殊处理包括维持组织原有构型而进行的固定、 灭菌和消除抗原 性的较轻微的处理， 该方法已 在临床上广泛应用。 同时也促使人们研究经基磷灰石系列的各种形式复合材料， 以 期获得力学性能优良、 生物活性好的生物医用复合材料。 较有代表性的如氧化错增韧经基磷灰石陶瓷材料、金属基轻基磷灰石涂层材料等。1 . 1 . 3生物医用材料研究开发的意义生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义第一章绪论5 随 着社会文明的 进步 和世界经济的 发展， 人类的生活 水平日 益提高， 因而 对自 身的医疗康复事业格外重视，而且随着人口的不断增长和生活水平的不断提高，人口老龄化作为一个世界性社会问题愈来愈受到重视，因此而引发的组织、器官的衰竭和病变需要进行康复和替换， 另外意外创伤的加剧等都呼吁着生物材料有更大的发展。据1 9 8 8 年美国国家健康统计中心调查，美国已有1 1 0 0 万人，全球 3 0 0 0万人口以 上植入了 一 件以 上的 生物医 用材料( 不包括齿科材料 ) ，1 9 9 5年生物医用材料市场已达1 2 。 亿元。 近十年来， 生物医用材料及其制品的市场一直保持2 0 %左右的年增长率，预计 1 0 -1 5年将达到药品市场的规模，成为 2 1世纪国际经济的主要支柱产业之一6 1 用于人工骨、人工关节及人工种植牙等人体硬组织的替代材料，由于应用面广、需求量大，已 成为各国开发研究的热点， 制品和产业化的速度很快， 是生物医用材料研究的重要内容之一。1 9 9 1年，仅美国髓关节和膝关节的使用量就有3 0 多万套，其中髓关节超过 1 5 万套。 据统计， 全球每年的硬组织替代生物材料营业额高达2 3 亿美元，占 整个生物材料营业额的近2 0 %， 而且以7 -1 2 %的年增长率递增。 我国是一个具有十几亿人口的 大国， 仅以 我国 矫形外科硬组织的 修复为例，据有关资料介绍，我国仅肢体不自由患者约 1 5 0 0万，其中残疾约 8 0 0万，全国每年骨缺损和骨损伤近 3 0 0万;牙缺损和牙缺失患者人数达总人口的1 1 5 -1 1 3 、我国己 进入老龄化社会，由于老化衰竭所产生的组织与器官的病变也需要得到及时的治疗和修复。 2 0 4 0 年，我国人口 中6 5 岁以 上者将高达2 1 .4 %.可见在我国加速开展生物材料研究与开发具有重大的社会意义和巨大的经济效益，也是开展本实验工作的必要性所在。1 .2骨折内固定材料1 .2 . 1骨折及其内固定 骨折一般是由 外 伤( 暴力作用) 和或疾病引 起的。 骨折发生后， 临 近软组织立即发生急性炎症反应， 如水肿等， 并伴有发热。 这一现象消退后， 一个较致密的硬块在骨折周围产生， 俗称骨痴。 骨痴经过一个相当长的时间，由 低结构层次转化为高结构层次， 代之为形成坚实的骨连接，能够承受正 常的重力及肌肉 活动。骨折愈合有一期愈合和二期愈合之分， 一期愈合仅有少量外骨痴出 现， 骨折在外观和功能上均良 好。 二期愈合包括相互联系的三个阶段， 即血肿机化期、 原始骨痴形成期和骨痴塑型期， 经过这三个阶段后， 骨断端最终形成永久骨痴， 使骨折愈合并适应生理需求。 骨折常用的治疗方法有固定、功能锻炼和药物治疗等， 临床研究证明骨折复第一章绪论5 随 着社会文明的 进步 和世界经济的 发展， 人类的生活 水平日 益提高， 因而 对自 身的医疗康复事业格外重视，而且随着人口的不断增长和生活水平的不断提高，人口老龄化作为一个世界性社会问题愈来愈受到重视，因此而引发的组织、器官的衰竭和病变需要进行康复和替换， 另外意外创伤的加剧等都呼吁着生物材料有更大的发展。据1 9 8 8 年美国国家健康统计中心调查，美国已有1 1 0 0 万人，全球 3 0 0 0万人口以 上植入了 一 件以 上的 生物医 用材料( 不包括齿科材料 ) ，1 9 9 5年生物医用材料市场已达1 2 。 亿元。 近十年来， 生物医用材料及其制品的市场一直保持2 0 %左右的年增长率，预计 1 0 -1 5年将达到药品市场的规模，成为 2 1世纪国际经济的主要支柱产业之一6 1 用于人工骨、人工关节及人工种植牙等人体硬组织的替代材料，由于应用面广、需求量大，已 成为各国开发研究的热点， 制品和产业化的速度很快， 是生物医用材料研究的重要内容之一。1 9 9 1年，仅美国髓关节和膝关节的使用量就有3 0 多万套，其中髓关节超过 1 5 万套。 据统计， 全球每年的硬组织替代生物材料营业额高达2 3 亿美元，占 整个生物材料营业额的近2 0 %， 而且以7 -1 2 %的年增长率递增。 我国是一个具有十几亿人口的 大国， 仅以 我国 矫形外科硬组织的 修复为例，据有关资料介绍，我国仅肢体不自由患者约 1 5 0 0万，其中残疾约 8 0 0万，全国每年骨缺损和骨损伤近 3 0 0万;牙缺损和牙缺失患者人数达总人口的1 1 5 -1 1 3 、我国己 进入老龄化社会，由于老化衰竭所产生的组织与器官的病变也需要得到及时的治疗和修复。 2 0 4 0 年，我国人口 中6 5 岁以 上者将高达2 1 .4 %.可见在我国加速开展生物材料研究与开发具有重大的社会意义和巨大的经济效益，也是开展本实验工作的必要性所在。1 .2骨折内固定材料1 .2 . 1骨折及其内固定 骨折一般是由 外 伤( 暴力作用) 和或疾病引 起的。 骨折发生后， 临 近软组织立即发生急性炎症反应， 如水肿等， 并伴有发热。 这一现象消退后， 一个较致密的硬块在骨折周围产生， 俗称骨痴。 骨痴经过一个相当长的时间，由 低结构层次转化为高结构层次， 代之为形成坚实的骨连接，能够承受正 常的重力及肌肉 活动。骨折愈合有一期愈合和二期愈合之分， 一期愈合仅有少量外骨痴出 现， 骨折在外观和功能上均良 好。 二期愈合包括相互联系的三个阶段， 即血肿机化期、 原始骨痴形成期和骨痴塑型期， 经过这三个阶段后， 骨断端最终形成永久骨痴， 使骨折愈合并适应生理需求。 骨折常用的治疗方法有固定、功能锻炼和药物治疗等， 临床研究证明骨折复第一章绪论5 随 着社会文明的 进步 和世界经济的 发展， 人类的生活 水平日 益提高， 因而 对自 身的医疗康复事业格外重视，而且随着人口的不断增长和生活水平的不断提高，人口老龄化作为一个世界性社会问题愈来愈受到重视，因此而引发的组织、器官的衰竭和病变需要进行康复和替换， 另外意外创伤的加剧等都呼吁着生物材料有更大的发展。据1 9 8 8 年美国国家健康统计中心调查，美国已有1 1 0 0 万人，全球 3 0 0 0万人口以 上植入了 一 件以 上的 生物医 用材料( 不包括齿科材料 ) ，1 9 9 5年生物医用材料市场已达1 2 。 亿元。 近十年来， 生物医用材料及其制品的市场一直保持2 0 %左右的年增长率，预计 1 0 -1 5年将达到药品市场的规模，成为 2 1世纪国际经济的主要支柱产业之一6 1 用于人工骨、人工关节及人工种植牙等人体硬组织的替代材料，由于应用面广、需求量大，已 成为各国开发研究的热点， 制品和产业化的速度很快， 是生物医用材料研究的重要内容之一。1 9 9 1年，仅美国髓关节和膝关节的使用量就有3 0 多万套，其中髓关节超过 1 5 万套。 据统计， 全球每年的硬组织替代生物材料营业额高达2 3 亿美元，占 整个生物材料营业额的近2 0 %， 而且以7 -1 2 %的年增长率递增。 我国是一个具有十几亿人口的 大国， 仅以 我国 矫形外科硬组织的 修复为例，据有关资料介绍，我国仅肢体不自由患者约 1 5 0 0万，其中残疾约 8 0 0万，全国每年骨缺损和骨损伤近 3 0 0万;牙缺损和牙缺失患者人数达总人口的1 1 5 -1 1 3 、我国己 进入老龄化社会，由于老化衰竭所产生的组织与器官的病变也需要得到及时的治疗和修复。 2 0 4 0 年，我国人口 中6 5 岁以 上者将高达2 1 .4 %.可见在我国加速开展生物材料研究与开发具有重大的社会意义和巨大的经济效益，也是开展本实验工作的必要性所在。1 .2骨折内固定材料1 .2 . 1骨折及其内固定 骨折一般是由 外 伤( 暴力作用) 和或疾病引 起的。 骨折发生后， 临 近软组织立即发生急性炎症反应， 如水肿等， 并伴有发热。 这一现象消退后， 一个较致密的硬块在骨折周围产生， 俗称骨痴。 骨痴经过一个相当长的时间，由 低结构层次转化为高结构层次， 代之为形成坚实的骨连接，能够承受正 常的重力及肌肉 活动。骨折愈合有一期愈合和二期愈合之分， 一期愈合仅有少量外骨痴出 现， 骨折在外观和功能上均良 好。 二期愈合包括相互联系的三个阶段， 即血肿机化期、 原始骨痴形成期和骨痴塑型期， 经过这三个阶段后， 骨断端最终形成永久骨痴， 使骨折愈合并适应生理需求。 骨折常用的治疗方法有固定、功能锻炼和药物治疗等， 临床研究证明骨折复第一章绪论位是愈合的先决条件，骨折固定是骨折复位愈合的保证。 在骨折修复期间，若骨折端没有 稳定的固定， 则骨折端新生的肉芽组织及骨痴不能得到有效保护， 使生骨组织变成软骨组织，延长愈合过程，甚至发生不连接。 骨折固定方法是西医最为提倡的， 分为外固定、 内固定和外固定器。 外固定是以夹板和石膏在伤肢外部，通过局部外固定的固定力克服骨折再移位的倾向力， 使断骨处保持稳定; 骨折外固定器是利用固定支架通过钢钉的作用力使骨折稳定;内固定则是利用钢板、 螺丝钉、 髓内针等内固定材料， 暴露骨折断端， 进行直视下的手术复位及固定的操作 方法。 如切开复位内固 定就是利 用螺丝钉将接骨板固 定于 骨折段的 张力侧， 利用其自 身的强度和张力带原理来维持骨结构的稳定性与连续性，以达到骨折愈合的目 的。 而对于某些情况来说， 如骨折移位、 多处骨折和伴有关节脱位的骨折等。外固定及外固定器等方法并不适用，因此骨折内固定是唯一的治疗方法。 综合考虑这些因素， 在研究中人们发现作为生物医用材料的骨折固定材料应满 足 下 列 基 本 要 求 1 , ( 1 ) 具有良 好的力学性能， 如 较高的 拉伸强 度、 压缩强 度、 剪切强 度及较好的耐疲劳性、与骨相近的弹性模量等， 可根据不同的骨质、 骨骼形状和弯曲度进行调整。具有更高的灵活性。 ( 2 ) 材料无毒、 无热源反 应、 不致 癌、 不致畸、 不引 起过敏反应或 干扰肌体的免疫机制，溶出 物及可渗出物低。不会造成二次伤害。 ( 3 ) 良 好的 生 物稳定 性， 保 证 在 骨 组 织的 愈 合期内 性能 稳定以 确 保良 好 愈 合。 ( 4 ) 便于灭菌和消毒。1 .2 . 2骨折内固定材料研究现状 长期以 来在国内 外一 直采用不锈钢金属材料作为 骨折内固定材料18 1 ， 这种材料具有明显的缺陷，主要表现在: 弹性模量过大， 应力遮挡作用明显， 研究发现接骨板固定处的应力大小与板的刚度成反比， 而应力刺激水平直接影响了 骨骼愈合情况， 金属材料的刚度远大于皮 质骨的刚度， 这种不匹配造成应力遮挡， 导致应力刺激不足， 使固定处皮质吸收弱化， 造成骨质疏松，骨组织愈合缓慢，容易引起二次骨折。 生物相容性差，由于金属材料在人体中会发生腐蚀等作用而影响人们的健康，并且人体对金属材料的排异反应较大，另外容易发生应力集中和松动。 虽然具有很高的强度和硬度， 对骨的愈合初期有益。 但缺乏足够的 变形， 增加了手术植入的难度，而且痊愈后需要二次手术取出， 加大了病人的痛苦。 基于以 上的种种不足， 人们开始探索新的骨折固定材料， 鉴于骨骼本身就是胶原纤维被羚基磷灰石矿化的复合材料， 且可通过仿生设计实现较高的强度和适第一章绪论位是愈合的先决条件，骨折固定是骨折复位愈合的保证。 在骨折修复期间，若骨折端没有 稳定的固定， 则骨折端新生的肉芽组织及骨痴不能得到有效保护， 使生骨组织变成软骨组织，延长愈合过程，甚至发生不连接。 骨折固定方法是西医最为提倡的， 分为外固定、 内固定和外固定器。 外固定是以夹板和石膏在伤肢外部，通过局部外固定的固定力克服骨折再移位的倾向力， 使断骨处保持稳定; 骨折外固定器是利用固定支架通过钢钉的作用力使骨折稳定;内固定则是利用钢板、 螺丝钉、 髓内针等内固定材料， 暴露骨折断端， 进行直视下的手术复位及固定的操作 方法。 如切开复位内固 定就是利 用螺丝钉将接骨板固 定于 骨折段的 张力侧， 利用其自 身的强度和张力带原理来维持骨结构的稳定性与连续性，以达到骨折愈合的目 的。 而对于某些情况来说， 如骨折移位、 多处骨折和伴有关节脱位的骨折等。外固定及外固定器等方法并不适用，因此骨折内固定是唯一的治疗方法。 综合考虑这些因素， 在研究中人们发现作为生物医用材料的骨折固定材料应满 足 下 列 基 本 要 求 1 , ( 1 ) 具有良 好的力学性能， 如 较高的 拉伸强 度、 压缩强 度、 剪切强 度及较好的耐疲劳性、与骨相近的弹性模量等， 可根据不同的骨质、 骨骼形状和弯曲度进行调整。具有更高的灵活性。 ( 2 ) 材料无毒、 无热源反 应、 不致 癌、 不致畸、 不引 起过敏反应或 干扰肌体的免疫机制，溶出 物及可渗出物低。不会造成二次伤害。 ( 3 ) 良 好的 生 物稳定 性， 保 证 在 骨 组 织的 愈 合期内 性能 稳定以 确 保良 好 愈 合。 ( 4 ) 便于灭菌和消毒。1 .2 . 2骨折内固定材料研究现状 长期以 来在国内 外一 直采用不锈钢金属材料作为 骨折内固定材料18 1 ， 这种材料具有明显的缺陷，主要表现在: 弹性模量过大， 应力遮挡作用明显， 研究发现接骨板固定处的应力大小与板的刚度成反比， 而应力刺激水平直接影响了 骨骼愈合情况， 金属材料的刚度远大于皮 质骨的刚度， 这种不匹配造成应力遮挡， 导致应力刺激不足， 使固定处皮质吸收弱化， 造成骨质疏松，骨组织愈合缓慢，容易引起二次骨折。 生物相容性差，由于金属材料在人体中会发生腐蚀等作用而影响人们的健康，并且人体对金属材料的排异反应较大，另外容易发生应力集中和松动。 虽然具有很高的强度和硬度， 对骨的愈合初期有益。 但缺乏足够的 变形， 增加了手术植入的难度，而且痊愈后需要二次手术取出， 加大了病人的痛苦。 基于以 上的种种不足， 人们开始探索新的骨折固定材料， 鉴于骨骼本身就是胶原纤维被羚基磷灰石矿化的复合材料， 且可通过仿生设计实现较高的强度和适第一章绪论当 模量， 因此采用复合材料作为骨折固定材料成为一个新的研究方向。 在骨折固定材料的发展中，主要的方向就是传统外固定内固定可吸收降解材料，可降解高分子聚合物及其复合材料作为骨折内固定材料是目前国内外研究的一大 热 点 9 ,10) 它的突出 特点随着植入时间的延长， 材料不断降解， 其强度不断降低， 使应力逐渐转移到骨骼上， 进而大幅度减小或完全消除应力遮挡效应及相应的骨质疏松症;且不需二次手术取出。 典 型 的 可 吸 收 降 解 材 料 1 1主 要 有 聚 乳 酸 ( p l a ) , 聚乙 醇 酸 ( p g a ) 、 及 其 共 聚 物，自 增强p g a复合 材料、自 增强p l a复合材料( 分别记为s r - p g a , s r - p l a ) ， 此外 还有聚二 恶酮( p d s ) 等。 超高 分子量聚 d l - 乳酸( p d l l a ) 也是最近的 一大 热点 1 2 ,13 1 。 它们的降 解产物和人体的固 有产物一致， 最终从人体的 呼吸 道和尿道排出。 当然， 可吸收骨折内固 定板也存在很多问 题， 有待于 研究者去解决1 1 4 ,1 5 1 。 可吸收内固定物，可吸收材料临 床使用过程中的非特异性炎性异物反应、窦道、骨溶解等负反应是主要缺点;其他诸如力学性能仍未达到坚强固定的要求，尚不能起到加压的作用，不能完全满足皮质骨固定的要求:降解速度难以准确控制;造价昂贵，我国尚无国产产品p l a内固定物用于临床;x射线分辨率差，不能直接了解内固定效果等问 题。因此目 前最为理想的骨折内固定材料应为不可降解的纤维增强树脂基复合材料。1 . 3医用三维编织复合材料及其成型工艺1 .3 . 1三维编织纤维复合材料 早期的增强体纤维多 采用短切纤维( 0 .2 - 0 .4 m m ) ， 后来发展到中 长纤维、 长纤维。2 0 世纪6 0 年代末发展起来的三维编织技术给复合材料注入了新的生命力。 三维编织技术在工艺上的突出 特点是具有编织异形整体织物的能力， 即能够按照零件的形状和尺寸大小直接编织出复合材料零件的预制品。 这是因为， 一方面三维编织物在编织过程中其基本结构单元立方体能够随零件的形状和尺寸的变化而改变长、 宽、 高的比 例; 另一方面编织工艺较为灵活可以任意变化以适应不同编织形状的要求， 实现直接整体编织。 这样， 在保证所需形状的条件下维持纤维密度不变。 三维编织纤维的另一特点是能够有效地控制复合材料内的纤维体积含量。 这些特点对复合材料的设计、 制造及产品质量都十分有利， 从而使三维复 合 材 料 具 有 优 于 其 它 复 合 材 料 的 独 特 风 格16 1 。 使 复 合 材 料 正 在 迈 进 受 力 复 杂、可靠性要求较高的结构件领域。第一章绪论当 模量， 因此采用复合材料作为骨折固定材料成为一个新的研究方向。 在骨折固定材料的发展中，主要的方向就是传统外固定内固定可吸收降解材料，可降解高分子聚合物及其复合材料作为骨折内固定材料是目前国内外研究的一大 热 点 9 ,10) 它的突出 特点随着植入时间的延长， 材料不断降解， 其强度不断降低， 使应力逐渐转移到骨骼上， 进而大幅度减小或完全消除应力遮挡效应及相应的骨质疏松症;且不需二次手术取出。 典 型 的 可 吸 收 降 解 材 料 1 1主 要 有 聚 乳 酸 ( p l a ) , 聚乙 醇 酸 ( p g a ) 、 及 其 共 聚 物，自 增强p g a复合 材料、自 增强p l a复合材料( 分别记为s r - p g a , s r - p l a ) ， 此外 还有聚二 恶酮( p d s ) 等。 超高 分子量聚 d l - 乳酸( p d l l a ) 也是最近的 一大 热点 1 2 ,13 1 。 它们的降 解产物和人体的固 有产物一致， 最终从人体的 呼吸 道和尿道排出。 当然， 可吸收骨折内固 定板也存在很多问 题， 有待于 研究者去解决1 1 4 ,1 5 1 。 可吸收内固定物，可吸收材料临 床使用过程中的非特异性炎性异物反应、窦道、骨溶解等负反应是主要缺点;其他诸如力学性能仍未达到坚强固定的要求，尚不能起到加压的作用，不能完全满足皮质骨固定的要求:降解速度难以准确控制;造价昂贵，我国尚无国产产品p l a内固定物用于临床;x射线分辨率差，不能直接了解内固定效果等问 题。因此目 前最为理想的骨折内固定材料应为不可降解的纤维增强树脂基复合材料。1 . 3医用三维编织复合材料及其成型工艺1 .3 . 1三维编织纤维复合材料 早期的增强体纤维多 采用短切纤维( 0 .2 - 0 .4 m m ) ， 后来发展到中 长纤维、 长纤维。2 0 世纪6 0 年代末发展起来的三维编织技术给复合材料注入了新的生命力。 三维编织技术在工艺上的突出 特点是具有编织异形整体织物的能力， 即能够按照零件的形状和尺寸大小直接编织出复合材料零件的预制品。 这是因为， 一方面三维编织物在编织过程中其基本结构单元立方体能够随零件的形状和尺寸的变化而改变长、 宽、 高的比 例; 另一方面编织工艺较为灵活可以任意变化以适应不同编织形状的要求， 实现直接整体编织。 这样， 在保证所需形状的条件下维持纤维密度不变。 三维编织纤维的另一特点是能够有效地控制复合材料内的纤维体积含量。 这些特点对复合材料的设计、 制造及产品质量都十分有利， 从而使三维复 合 材 料 具 有 优 于 其 它 复 合 材 料 的 独 特 风 格16 1 。 使 复 合 材 料 正 在 迈 进 受 力 复 杂、可靠性要求较高的结构件领域。第一章绪论当 模量， 因此采用复合材料作为骨折固定材料成为一个新的研究方向。 在骨折固定材料的发展中，主要的方向就是传统外固定内固定可吸收降解材料，可降解高分子聚合物及其复合材料作为骨折内固定材料是目前国内外研究的一大 热 点 9 ,10) 它的突出 特点随着植入时间的延长， 材料不断降解， 其强度不断降低， 使应力逐渐转移到骨骼上， 进而大幅度减小或完全消除应力遮挡效应及相应的骨质疏松症;且不需二次手术取出。 典 型 的 可 吸 收 降 解 材 料 1 1主 要 有 聚 乳 酸 ( p l a ) , 聚乙 醇 酸 ( p g a ) 、 及 其 共 聚 物，自 增强p g a复合 材料、自 增强p l a复合材料( 分别记为s r - p g a , s r - p l a ) ， 此外 还有聚二 恶酮( p d s ) 等。 超高 分子量聚 d l - 乳酸( p d l l a ) 也是最近的 一大 热点 1 2 ,13 1 。 它们的降 解产物和人体的固 有产物一致， 最终从人体的 呼吸 道和尿道排出。 当然， 可吸收骨折内固 定板也存在很多问 题， 有待于 研究者去解决1 1 4 ,1 5 1 。 可吸收内固定物，可吸收材料临 床使用过程