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碳纖維增強聚醚醚酮復合材料作為植入材料的機械性能與細胞毒性解

日期:2024-09-14 16:04閱讀次數(shù):

  近年來,隨著生物醫(yī)用材料的發(fā)展,碳纖維增強聚醚醚酮(CFR-PEEK)復合材料因其優(yōu)異的力學性能和生物相容性,逐漸成為骨科和牙科植入物領(lǐng)域的研究熱點。PEEK本身具有優(yōu)良的化學穩(wěn)定性和生物相容性,但是其機械強度相對較低,限制了其在某些高應力環(huán)境下的應用。通過加入碳纖維(CF),不僅可以大幅提高PEEK的機械性能,還能使其彈性模量與人骨更為匹配,從而減輕因應力屏蔽效應導致的骨質(zhì)吸收等問題。本文就來探討CF-PEEK復合材料作為植入材料時的機械性能與細胞毒性。

  機械性能的提升


  碳纖維作為一種高性能的增強材料,其在PEEK基體中的引入顯著提升了復合材料的機械性能,這里從下圖來看。當碳纖維含量增加時,CF-PEEK復合材料的力學性能隨之提高。如含有30%碳纖維的CFR-PEEK復合材料,其硬度和模量均大于純PEEK。特別值得一提的是,65%碳纖維含量的CFR-PEEK復合材料,其橫向壓縮強度達到了185.69 MPa,接近人骨的壓縮強度(約208.2 MPa),遠高于純PEEK的136.9 MPa。這表明通過調(diào)整碳纖維的含量,可以有效改變復合材料的力學性能,使之更適合于作為骨科植入物使用。

  彈性模量匹配

  彈性模量的匹配對于植入材料來說也非常重要。如果植入物的彈性模量與周圍骨骼相差太大,則可能會引發(fā)應力屏蔽效應,導致骨質(zhì)吸收。CF-PEEK復合材料的彈性模量能夠很好地匹配人骨的彈性模量,這對于減輕植入物周圍骨質(zhì)吸收問題非常有利。在不斷的科研中發(fā)現(xiàn)含有25%碳纖維的CF-PEEK復合材料(25CF-PEEK),其彎曲強度為264.6 ± 15.7 MPa,彎曲模量為9.4 ± 1.1 MPa,這些值與人皮質(zhì)骨的彎曲強度(約225.0 MPa)和彈性模量(6-30 MPa)非常接近。

  細胞毒性評估

  除了力學性能織物,CF-PEEK復合材料的細胞毒性也是評估其作為植入材料可行性的重要因素。無論是短切碳纖維還是長碳纖維增強的PEEK復合材料,其細胞毒性水平都非常低,屬于輕微毒性。細胞存活率在75%-100%之間,這表明PEEK及CF-PEEK復合材料具有良好的生物相容性。在進行倒置熒光顯微鏡觀察到的細胞形態(tài)也證實了這一點:在培養(yǎng)1天、3天、5天和7天后,細胞仍然保持著飽滿的狀態(tài),沒有明顯的萎縮或死亡現(xiàn)象。

  短期來看,添加碳纖維會略微增加細胞毒性(其他材料也有該情況,這里可以查看對應的材質(zhì)細胞毒性研究報告),但長期影響幾乎可以忽略不計。這是由于碳纖維碎片在復合材料表面容易進入提取液中,從而影響細胞生長。然而,隨著時間的推移,細胞的增殖并不受明顯影響。這也說明了CF-PEEK復合材料在植入體內(nèi)后不會對細胞造成持續(xù)的危害。

  碳纖維增強聚醚醚酮復合材料作為一種新型的植入材料,其在機械性能上的顯著提升以及與人骨相近的彈性模量,使其在臨床應用中展現(xiàn)出巨大的潛力。此外,CF-PEEK復合材料的細胞毒性水平低,具有良好的生物相容性,這使得它成為一種理想的骨科和牙科植入物材料。作為國內(nèi)自主完成CF/PEEK的智上新材料在跟行業(yè)客戶深度探討之后,將進一步探索如何通過優(yōu)化碳纖維含量和改善碳纖維與PEEK基體之間的界面結(jié)合,來進一步提升CFR-PEEK復合材料的綜合性能,以滿足更多高要求的醫(yī)療應用。

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