纤维增强植入物的制备

技术领域

本发明涉及一种纤维增强植入物结构，以及一种用于制造纤维增强植入物结构的方法。本发明还涉及一种包括纤维增强植入物结构的植入物。

背景技术

纤维增强聚合物是由纤维增强的聚合物基体制成的复合材料，常用于航空航天、汽车、海洋和建筑行业。纤维复合材料技术在制造医用植入物中的潜在用途可能解决当前使用的金属的某些挑战，诸如腐蚀、成像干扰(诸如磁共振成像，MRI)以及骨与植入物材料之间的机械性能不匹配。与聚合物植入物相比，纤维增强复合材料植入物能够表现出优异的机械性能、改进的生物相容性等。纤维增强复合材料在植入技术中的潜力基于这样的事实，即这些材料表现出超越普通聚合物和/或颗粒填充复合材料的机械性能的优异的机械性能。通常，改进的机械性能是使用纤维增强复合材料的最重要原因。

注射成型是一种用于制造零件的过程，其中，熔融材料(诸如热塑性和/或热固性聚合物)被注射到模具中。原料被喂入加热的机桶中，使用螺旋形螺杆混合，并通过注射强制进入型腔中。之后，该材料冷却并硬化成型腔的构造。将原料高压注射到模具中使聚合物成形为期望的形状。塑料部件的注射成型期间的一系列事件可以称为注射成型循环，所述循环在模具关闭时开始，随后将聚合物注射到型腔中。一旦空腔被填充，就维持保持压力，以防止材料收缩。一旦部件冷却到期望的温度，就打开模具，并且部件被弹出。此后，开始制造下一个部件的成型循环，并且重复这些成型循环，直到制造出所需数量的产品。

包覆成型是一种注射成型过程，其中熔融基体材料被注射到存在单独嵌件的注射型腔中。在注射熔融基体材料之前，将所述单独嵌件放置在型腔中。结果是由嵌件和基体材料形成的包覆成型产品。包覆成型也可以与其他类型的成型过程一起使用。包覆成型也可以用在例如压缩成型中，其中在压缩成型循环之前将单独嵌件放置在型腔中。与注射成型类似，压缩成型过程的结果是由嵌件和基体材料形成的包覆成型产品。

嵌件可以包括例如金属线嵌件、增强织物、缝合线等。织物和/或其他柔性嵌件的一个挑战是，在将熔体注射入型腔中期间，它们随着聚合物熔体在模具中流动而移动和/或不受控制的形状转变。这可能危及嵌件的期望功能。

发明内容

以下呈现本文公开的特征的简要总结，以提供对本发明的一些示例性方面的基本理解。该总结不是对本发明的广泛概述。本发明并不旨在识别本发明的主要/关键元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式呈现本文中公开的一些构思，作为更详细描述的前奏。

根据一个方面，提供独立权利要求的主题。在从属权利要求中定义了实施例。

在下面的描述中更详细地阐述了实施方式的一个或多个示例。从说明书以及从权利要求书中将清楚其他特征。

附图说明

在下文中，将参照附图通过优选实施例更详细地描述本发明，其中

图1a图示了示例性模具；

图1b示出了放置在型腔的型芯上的示例性刚性嵌件；

图2a图示了根据本发明生产的示例性包覆成型产品；

图2b图示了使用软/可变形嵌件生产的包覆成型产品；

图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b、图6、图7和图8图示了根据本发明的示例性包覆成型产品/植入物；

图9和图10示出了测量的测试结果；

图11a图示了根据本发明的放置在型腔中的示例性刚性嵌件；

图11b图示了根据本发明生产的示例性包覆成型产品；

图12a至图12e图示了板状植入物结构的制造。

具体实施方式

以下实施例是示例性的。尽管说明书可以在多个位置提及“一”、“一个”或“一些”实施例，但这并不一定意味着每个这样的提及都是针对同一实施例，或者所述特征仅适用于单个实施例。不同实施例的单个特征也可以组合以提供给其他实施例。此外，词语“包含”、“含有”和“包括”应理解为不限制所描述的实施例仅包含那些已经提到的特征，而是这些实施例还可以含有没有特别提到的特征/结构。

本发明公开了一种纤维增强植入物结构，以及一种用于生产纤维增强植入物结构的方法。在所述方法中，成型的连续纤维增强植入物或植入物结构通过包覆成型来生产，其中，含连续纤维的嵌件用作植入物或植入物结构中的增强物。含连续纤维的嵌件至少部分地由热塑性基体聚合物包覆成型。含连续纤维的嵌件是刚性的。将含刚性纤维的嵌件插入注射成型机的型腔中，之后关闭模具，并将热塑性基体材料注射入型腔中，以通过包覆成型执行注射成型。在可能的定型和/或固化之后，允许在开模和弹出部件后将部件冷却到期望的温度。这种部件能够用作(或用于)医疗植入物，并且可以通过工业工艺制造。替代地，将含刚性纤维的嵌件插入压缩成型机的型腔中，之后关闭模具，并将热塑性基体材料压入型腔中，以通过包覆成型执行压缩成型。在可能的定型和/或固化之后，可以将模具冷却到期望的温度，并且可以将部件从模具中弹出。这种部件能够用作(或用于)医疗植入物，并且可以通过工业工艺制造。

含纤维的嵌件是刚性的。含纤维的嵌件的刚性形式允许纤维增强物在注射(或压缩)成型过程期间(即在将热塑性基体材料注射(或压缩)到型腔中期间)保持在期望的位置。在注射(或压缩)和/或定型/固化期间，型腔可以暴露于几千巴的压力下。可能的固化阶段可以用于对成型样品进行热处理，以改变某些性能。这些性能包括但不限于增加结晶度，这增加了某些机械性能并可以提高热稳定性。

如果使用诸如未处理的缠绕嵌件或未处理的针织嵌件的柔软嵌件来代替刚性嵌件，则在注射成型过程期间将嵌件保持在适当位置将极具挑战性。如果使用柔软/可变形嵌件作为嵌件，将极难确保纤维位于成型部件中的期望的地方/位置；见图2b，其图示了芯部中带有柔软/可变形嵌件的包覆成型部件。

在一个实施例中，刚性嵌件可以在成型过程期间自然地移动，但是嵌件的刚性形式能够在成型过程之后调整纤维增强物的放置。刚性嵌件还可以用于调整增强物的定位，使得嵌件例如膨胀、收缩和/或以其他方式与成型件一起移动到期望安装的准确位置或形状。例如，可以将热塑性聚合物材料注射入植入物结构的中心中，其中，增强物膨胀到期望的位置(在植入物的表面上)。

在一个实施例中，刚性嵌件包含通过使用热塑性聚合物结合在一起从而形成刚性构造的连续纤维。这里，连续纤维是指嵌件中的至少一部分纤维与正在制造的产品的最短尺寸、最薄壁厚或任何其他容易由最终产品的几何形状确定的尺寸一样长。优选地，连续纤维至少与正在制造的物品的最长主尺寸、直径或其他尺寸一样长。

纤维长度代表纤维的连续性。在此过程中纤维可能断裂。连续纤维等于或长于植入物的最小壁厚。植入物中的至少一些纤维至少与从植入物几何形状物理测量的最短尺寸一样长。如果植入物是圆柱形，这意味着圆柱体的直径。在管状植入物的情况下，这意味着管壁厚度。因此，纤维长度在植入物的物理尺寸上是连续的。实际上，植入物可以包含纤维，其中至少一些纤维优选地比植入物的最长主尺寸长。在圆柱形植入物的情况下，这意味着至少一些纤维比圆柱体的直径长。在管状植入物的情况下，这意味着至少一些纤维比管的壁厚长。在下面的示例中，使用了“管状螺钉”，其包含比螺钉的长度长得多的纤维。因此，该纤维也比壁厚长得多。如上所述，连续纤维是指纤维长度对应于植入物(或成型部件)的最短壁厚或最短主尺寸的纤维。

含刚性连续纤维的嵌件可以由热塑性聚合物浸渍纤维预浸料制成，诸如浸渍带、条、线等。纤维预浸料可以包括：能够用作纤维增强物的任何纤维，诸如聚合物纤维、玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等。纤维增强物也可以是包括多种不同增强纤维的混合纤维增强物。混合纤维增强物还可以包含：在单独的纤维中的增强纤维和结合的热塑性聚合物纤维。如果使用这种混合纤维增强物，则在将所形成的结构用作嵌件之前，通过成型来熔化热塑性聚合物纤维以结合增强纤维并形成刚性构造，对所形成的结构进行处理。

通过包覆成型被用于注射(或压缩)成型的热塑性基体材料可以是纯(不掺杂的)热塑性均聚物、共聚物、三元聚合物、解聚物共混物、或者聚合物和添加剂的混合物，诸如聚合物和磷酸钙的混合物(例如，β-磷酸三钙(β-TCP))、聚合物和玻璃颗粒的混合物、或聚合物和短切玻璃纤维、短切碳纤维和/或任何可行的矿物添加剂等的混合物。

在成型过程之前，通过单独过程制备包含连续纤维增强物的嵌件。用于制造含连续纤维的嵌件的过程可以是一步过程，也可以包括几个中间步骤。在制造含连续纤维的嵌件的过程中，将包括纤维增强物和结合纤维的热塑性聚合物浸渍材料的预成型件(预浸料)进一步加工成期望的形状，其可在最终包覆成型过程中用作嵌件。通过熔化或溶解结合纤维增强物的聚合物浸渍材料来实现含连续纤维的嵌件的刚性状态，由此聚合物浸渍材料的不同层或相邻结构部分彼此结合，以加强纤维嵌件结构。

例如，长丝缠绕技术或自动纤维/带放置技术可以用于制造含连续纤维的嵌件，从而提供嵌件的期望的纤维取向，并生产多层纤维结构，每层都具有精确的期望取向。

用于制造含连续纤维的嵌件的方法还可以包括：在纺织工业中使用的任何制造方法(诸如编结、针织、编织等)。然而，如果使用来自纺织技术的普通制造过程，则所得结构通常不是刚性的，并且因此必须在进一步的过程步骤中对由此获得的纤维增强结构进行硬化，由此例如通过加热和/或溶剂对预成型件进行处理，以实现嵌件的刚性结构。

用于制造含连续纤维的嵌件的过程还可以包括3D打印。然而，在这种情况下，嵌件的整个结构不是通过3D打印生产的。

用于制造含刚性连续纤维的嵌件的过程也可以是上述不同制造方法的组合，包括长丝缠绕、自动胶带放置、3D打印、溶剂浇铸、真空装袋、挤出、注射成型、压缩成型、纺织工业过程(诸如编结、针织、编织)等。

部件的几何形状在包覆成型过程中实现。在包覆成型过程中，将连续纤维增强嵌件放置在型腔中，之后关闭模具，并用热塑性材料填充型腔以提供最终纤维增强部件的几何形状。含连续纤维的嵌件可以定位于最终产品的芯部(如下面的示例1)中、最终产品的内部或最终产品的表面(如下面的示例2)上。纤维增强物也可以定位于最终产品的一个或多个表面上。除了由成型过程强加的几何约束外，最终产品的形状上没有几何约束。因此，部件形状或植入物形状可以是任何可能的能够成型形状，例如，板、螺钉、钉子等。

图2a、图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b、图6、图7和图8图示了根据本发明的示例性包覆成型部件/植入物。如从图2a、图3a、图3b、图4a、图4b、图5a、图5b、图6、图7和图8可见，最终产品的产品形式可以是通过使用本发明能够获得的任何形状。连续纤维增强嵌件可以定位于产品的芯部、表面、内部、一个端部或多个端部中，或者含连续纤维的嵌件的位置可以是上述位置的任意组合。

本发明能够制备医疗植入物，其解决某些金属的挑战，诸如腐蚀、成像干扰(诸如MRI)以及骨与植入物材料之间的机械性能不匹配。当与聚合物植入物或其他复合材料相比时，纤维增强复合植入物能够表现出优异的机械性能、改进的细胞毒性、改进的生物相容性等。纤维增强复合材料在植入技术中的潜力基于这样的事实，即，这些材料表现出超过不掺杂的聚合物和/或颗粒填充复合材料的机械性能的优异的机械性能。通常，改进的机械性能是使用复合材料的最重要原因。本发明没有对纤维取向设置任何限制，因为纤维嵌件可以使用组合多种制造过程的制造技术来制备。

因此，实施例公开了一种结构和一种用于制造纤维增强植入物结构的方法。在所述方法中，提供了纤维增强刚性嵌件。该嵌件包括：用至少一种第一热塑性聚合物浸渍的连续纤维。通过使用预制造的纤维嵌件进行包覆成型来执行成型循环，该成型循环包括：将纤维增强刚性嵌件放置在型腔中，将熔融形式的至少一种第二热塑性聚合物注射成型或压缩成型到型腔中，使得放置在型腔中的纤维增强刚性嵌件至少部分地被至少一种第二热塑性聚合物覆盖，以及使注射或压缩成型到型腔中的至少一种第二热塑性聚合物经受定型和/或固化，从而获得成型的纤维增强植入物结构，所述成型的纤维增强植入物结构包含至少部分地被至少一种第二热塑性聚合物覆盖的纤维增强刚性嵌件。在注射成型/压缩成型期间和在定型/固化或冷却期间，纤维增强刚性嵌件仍保持在型腔中。至少一种第一热塑性聚合物和至少一种第二热塑性聚合物相同或不同。

在一个实施例中，在注射成型或压缩成型之前，将纤维增强刚性嵌件放置到型腔中。

在一个实施例中，在将纤维增强刚性嵌件放置到型腔中之后，型腔被密封并填充有至少一种第二热塑性聚合物。

在一个实施例中，在注射成型或压缩成型期间，型腔暴露于1巴至2500巴的压力下。

在一个实施例中，在背压阶段期间，型腔暴露于1巴至2500巴的压力下。

在一个实施例中，在定型和/或固化期间，型腔暴露于1巴至2500巴的压力下。

在一个实施例中，至少一种第二热塑性聚合物包括纯(不掺杂的)热塑性聚合物或聚合物共混物，和/或至少一种第二热塑性聚合物还包含添加剂。

在一个实施例中，至少一种第二热塑性聚合物包括均聚物、共聚物和/或三元共聚物。

在一个实施例中，添加剂是以下之中的至少一种：磷酸钙(诸如，β-磷酸三钙(β-TCP))、玻璃颗粒、短切玻璃纤维、短切碳纤维、任何可行的矿物添加剂、增塑剂和成核剂。添加剂可以是能够用于改变聚合物性能的任何添加剂。

在一个实施例中，纤维增强嵌件包括用所述至少一种第一热塑性聚合物浸渍的聚合物纤维、玻璃纤维、碳纤维和/或芳族聚酰胺纤维。

在一个实施例中，纤维增强嵌件通过以下来制备：将包括用所述至少一种第一热塑性聚合物浸渍的纤维的预成型件加工成期望形状，并熔化和/或溶解所述至少一种第一热塑性聚合物，其中，所述至少一种第一热塑性聚合物材料的连续层和/或相邻结构部分彼此结合，从而提供纤维增强刚性嵌件。

在一个实施例中，通过使用长丝缠绕和/或自动胶带/纤维放置来制备纤维增强嵌件。

在一个实施例中，通过使用编结、编织和/或针织来制备纤维增强嵌件，然后进行加热处理和/或溶剂处理，从而提供纤维增强刚性嵌件。

在一个实施例中，通过使用3D打印部分地制备纤维增强嵌件。

在一个实施例中，可以通过使用组合的制造方法来制备纤维增强嵌件，其中通过3D打印创建的自由纤维取向设计与通过使用另一种技术创建的一致纤维增强物组合。作为组合的制造技术的非限制性示例，刚性纤维嵌件的芯部可以由在叠加管层之间具有不同纤维取向(例如，…-45°/45°/-45°/45°…或通过使用长丝缠绕获得的任何其他可能的纤维取向)的长丝缠绕连续纤维增强管和3D打印的连续长丝形成，3D打印的连续长丝是在长丝缠绕管的顶部上、芯部中或中间/之间的期望纤维路径中3D打印的。在芯部(刚性长丝缠绕管)上和在芯部顶部上3D打印的结构上，所得的混合嵌件都是刚性的。3D纤维打印能够完全自由地对齐纤维增强物，而不受传统制造方法(诸如长丝缠绕)的限制。

在一个实施例中，纤维至少与成型的纤维增强植入物或植入物结构的最短尺寸、最薄壁厚或由成型的纤维增强植入物或插入物结构的几何形状确定的任何其他尺寸一样长，优选地，纤维至少与成型的纤维增强植入物或植入物结构的最长主尺寸、直径、或其他尺寸一样长。

另一个实施例公开了一种成型的纤维增强植入物或植入物结构，其包括纤维增强刚性嵌件。纤维增强刚性嵌件包括连续纤维，所述连续纤维用至少一种第一热塑性聚合物和至少一种第二热塑性聚合物浸渍，使得纤维增强刚性嵌件在成型的纤维增强植入物或植入物结构中被至少一种第二热塑性聚合物通过包覆成型至少部分地覆盖。至少一种第一热塑性聚合物和至少一种第二热塑性聚合物相同或不同。

在一个实施例中，植入物或植入物结构具有板、螺钉或钉子的形状。图12a至图12e图示了板状植入物结构的制造。

在一个实施例中，植入物或植入物结构可以是中空的或实心的。

在一个实施例中，植入物或植入物结构可以被穿孔(见图8)。

在一个实施例中，嵌件可以是中空的或实心的。

在一个实施例中，嵌件可以被穿孔(见图8)。

在一个实施例中，植入物或植入物结构包括聚合物纤维、玻璃纤维、碳纤维和/或芳族聚酰胺纤维。

在一个实施例中，嵌件包括多层连续纤维，每层在嵌件中处于选定的纤维取向。

在一个实施例中，嵌件定位于植入物或植入物结构的芯部中、植入物或植入物结构内部、或至少部分地定位于植入物或植入物结构的表面上。

在一个实施例中，通过如上所述的方法生产植入物或植入物结构。

在一个实施例中，提供一种医疗植入物，其包括如上所述的植入物结构。

示例1

通过使用长丝缠绕作为制造技术来制备刚性纤维增强嵌件，其中包括连续玻璃纤维和热塑性聚合物基体的预成型带被进一步加工成四层和六层管状结构。在长丝缠绕期间，将预成型的带加热到结合热塑性聚合物的熔点以上。四层构造的层中的纤维取向为45°/-45°/45°/-45°/…。之后，将预成型的刚性嵌件在芯部的顶部上放置入型腔中(见图1b)。然后将热塑性基体材料在型腔中注射成型到纤维增强嵌件上，其中，获得纤维增强植入物作为最终注射成型部件(见图2a)。在示例1中，纤维增强物定位于植入物的芯部中。将制造的复合材料的扭转强度与由不掺杂的聚合物组成的相同产品设计进行比较。结果在图9中示出。

示例2

通过使用长丝缠绕作为制造技术，制备刚性纤维增强嵌件。将包括连续玻璃纤维和热塑性聚合物基体的预成型带进一步加工成四层管状结构。在长丝缠绕期间，将预成型带加热到结合热塑性聚合物的熔点以上。四层构造的层中的纤维取向为45°/-45°/45°/-45°。之后，将预成型的刚性嵌件在芯销的顶部上放置入型腔中(见图11a)。嵌件设计成使得注射的基体聚合物从植入物的芯部并从刚性嵌件的芯部填充模具。然后将热塑性基体材料注射成型到型腔中，其中，获得纤维增强植入物作为最终注射成型部件(见图11b)。刚性嵌件设计成使得注射的材料流入模具的中部、管的内部，这迫使管状嵌件朝向模具壁略微膨胀。尽管所使用的管状嵌件是刚性的，但由于结合刚性嵌件的玻璃纤维层的热塑性聚合物同时熔化，而熔化的基体聚合物以1500巴的压力注射到型腔中，因此可以控制膨胀。因此，刚性嵌件能够在成型期间控制嵌件的移动，并允许调整增强纤维在最终产品中的位置。在示例2中，纤维增强物定位于植入物的表面上。将制造的复合材料的扭转强度与由不掺杂的聚合物组成的相同产品设计进行比较。结果在图10中示出。

示例3

图11a至图11b示出了一种示例性情况，其中增强物被放置在芯部中，热塑性聚合物材料被注射到模具的中心，之后增强物以受控制的方式朝向表面膨胀，见项目114。只有使用刚性增强物，才能实现这种受控制的膨胀。如果使用非刚性嵌件，成型之后的情况将与图2b呈现的类似。在图11b中，项目114图示了成型之后的刚性嵌件，其在植入物结构中具有定制位置。在图11b中，项目113图示了成型之后的结果，其中带有刚性嵌件的成型的植入物朝向外模具表面膨胀。在图11b中，项目115图示了注射到模具中的成型的芯部或基体。在图11a中，项目112图示了空间，所述空间允许聚合物熔体流到样品内部，在所述空间中，熔体流产生的压力使最初刚性的嵌件朝向模具壁膨胀。在图11a中，项目111示出了特殊形状的型芯，其能够从型芯的中心进行模具填充。

本领域技术人员将清楚地看到，随着技术的进步，本发明的构思可以以各种方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围之内变化。