КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНОЙ ТКАНИ
COMPOSITE MATERIAL FOR BONE REPLACEMENT

Изобретение относится к области композиционных материалов и может быть использовано в медицине для изготовления эндопротезов.
002
Известен композиционный материал для замещения костной ткани, содержащий пористую матрицу из углеродного волокна, состоящего из кристаллического углерода с межслоевым расстоянием d, равным 3,58…3,62 ангстрема, при общем количестве волокна 20…80% и углеродный материал-наполнитель, состоящий из кристаллического углерода с межслоевым расстоянием 3,42…3,44 ангстрема в количестве 50…70% и аморфного углерода, полученного путем карбонизации бакелита, в виде кокса в количестве 10…20% от общего объема пор, который образует изделие, и может использоваться как протезное устройство для замещения костной ткани человека и животных (см. описание изобретения к патенту RU №2522248 С2 от 27.07.2012 г.).
Это изобретение принято в качестве прототипа.
Недостатком технического решения-прототипа является низкое значение прочности при циклическом нагружении.
2
Результаты испытаний костной ткани на прочность при циклическом нагружении свидетельствуют о том, что она способна выдержать 3 миллиона циклов при амплитуде напряжения 3,5 кг/мм. Композиционный материал протезного устройства для замещения костной ткани (эндопротез), принятый в качестве прототипа, имеет прочность при циклическом нагружении 1,8 миллионов циклов, что является недостаточным для эндопротеза тазобедренного сустава человека, особенно в молодом и среднем возрасте, и ограничивает применение указанного материала.
Задачей заявляемого изобретения является создание композиционного материала для замещения костной ткани, имеющего прочность при циклическом нагружении не менее или даже выше, чем у костной ткани человека. Для решения этой задачи был разработан композиционный материал для замещения костной ткани человека, содержащий пористую матрицу из волокон кристаллического углерода с межслоевым расстоянием 3,58…3,62 ангстрема при общем количестве волокна 20…80%, и материал-наполнитель, состоящий из кристаллического углерода с межслоевым расстоянием 3,42…3,44 ангстрема в количестве 50…70% и аморфного углерода, полученного путем карбонизации бакелита, в виде кокса в количестве 10…20% от общего объема пор, отличающийся тем, что аморфный углерод содержит углеродные нанотрубки в количестве 0,05…1,0% от массы аморфного углерода.
При содержании углеродных нанотрубок в количестве, выходящем за заявленные пределы, прочность при циклическом нагружении композиционного материала меньше прочности при циклическом нагружении костной ткани человека.
Композиционный материал изготавливается следующим образом. Из углеродного волокна изготавливается пористый каркас изделия, близкий по форме к замещаемому участку кости. Затем каркас пропитывается необходимым количеством прекурсора аморфного углерода, например жидким бакелитом, в котором диспергировано заявленное количество углеродных нанотрубок, после чего пропитанный каркас подвергается операции сушки и полимеризации. Полученную углепластиковую заготовку подвергают карбонизации при температуре 1120 К в течение 3 часов, получая при этом аморфный углерод в виде кокса с углеродными нанотрубками, равномерно распределенному в порах каркаса из углеродных волокон. После этого производят заполнение части оставшихся пор требуемым количеством кристаллического углерода путем разложения метана при температурах 1173…1273 К. Окончательная доводка изделия производится механической обработкой.
Положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении прочности при циклическом нагружении композиционного материала за счет армирования аморфного углерода углеродными нанотрубками. Изобретение поясняется следующими примерами.
Были изготовлены образцы из композиционного материала для замещения костной ткани с разным содержанием углеродных нанотрубок в аморфном углероде и проведены испытания по определению прочности при циклическом нагружении материала каждого образца.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
По результатам испытаний видно, что при содержании углеродных нанотрубок в количествах, находящихся в заявленных пределах, прочность при циклическом нагружении композиционного материала лежит в приемлемых для человека границах - примеры: 3, 4, 5, 6 (прочность при циклическом нагружении составляет 5,0…3,0 млн циклов), а при выходе за заявляемые пределы - примеры: 1, 2, 7, 8, 9 (прочность при циклическом нагружении составляет соответственно 1,8…2,8 млн циклов и 2,3…2,0 млн циклов), что существенно ниже требуемой для полноценной жизнедеятельности человека с протезным устройством из углеродного композиционного материала без ограничений двигательной активности в течение всего срока жизни.
2
Положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении качества жизни человека с протезным устройством за счет повышения долговечности последнего при использовании углеродного композиционного материала для замещения костной ткани с прочностью при циклическом нагружении, равной или выше величины прочности при циклическом нагружении костной ткани человека и лежащей в пределах 3,0…5,0 миллионов циклов при амплитуде напряжения 3,5 кг/мм.