【摘 要】
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目的:目前,以钛为代表的金属植入材料和以聚醚醚酮为代表的新型高性能工程塑料已广泛应用于骨科领域。但是,钛合金的弹性模量过高,且在放射线检查中会产生伪影。相比之下,聚醚醚酮的弹性模量与皮质骨相近但仍不足。本研究的目的是探索碳纤维增强的聚醚醚酮和聚甲基丙烯酸甲酯电纺丝纤维复合材料的力学性能,影像学检查中的表现以及骨整合性能。为碳纤维增强的聚醚醚酮在骨科领域中的应用提供理论基础。方法:（1）本实验首先利
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目的:目前,以钛为代表的金属植入材料和以聚醚醚酮为代表的新型高性能工程塑料已广泛应用于骨科领域。但是,钛合金的弹性模量过高,且在放射线检查中会产生伪影。相比之下,聚醚醚酮的弹性模量与皮质骨相近但仍不足。本研究的目的是探索碳纤维增强的聚醚醚酮和聚甲基丙烯酸甲酯电纺丝纤维复合材料的力学性能,影像学检查中的表现以及骨整合性能。为碳纤维增强的聚醚醚酮在骨科领域中的应用提供理论基础。方法:（1）本实验首先利用静电纺丝技术制备聚醚醚酮（PEEK）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）电纺纤维,并将所得的上述两种电纺纤维与碳纤维（CF）混合后进行热压,以制备CF增强的PEEK和PMMA电纺纤维复合材料。（2）样品的形貌、密度和亲水性测试:通过扫描电镜、密度测定仪和水接触角检测样品表面及内在形貌、密度和亲水性。（3）样品热稳定性测试:通过热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）测试样品的热稳定性。（4）样品力学性能测试:采用电子万能试验机测试PEEK/PMMA/CF复合材料的弯曲、压缩和拉伸强度,并从样品的应力-应变曲线中得到弯曲、压缩和拉伸模量。弯曲试验结束后,利用扫描电镜观察样品的断面形貌,研究其断裂机理。（5）样品的细胞毒性测试:采用全骨髓贴壁法提取新西兰大白兔骨髓间充质干细胞（r BMSCs）,传代培养至第三代时通过细胞增殖实验（CCK-8）测定相对生长率（relative growth rate,RGR）以评估材料的细胞毒性。（6）样品在影像学检查中的表现:观察PEEK/PMMA/CF复合材料在植入新西兰大白兔股骨远端后第4周和8周时X线,CT和MRI检查中的影像学表现。（7）收集PEEK和PEEK/PMMA/CF复合材料在植入4周和8周时大白兔的股骨,由micro-CT扫描,并使用3D Creator软件重建断层扫描图,观察材料周围骨组织生长情况。（8）植入PEEK和PEEK/PMMA/CF复合材料的兔股骨标本经脱钙、石蜡包埋后,进行苏木精-伊红（H&E）和马松三色染色,光学显微镜下观察材料周围组织生长情况。结果:（1）通过静电纺丝技术成功地将PEEK和PMMA制备成电纺纤维。采用热压技术制备了PEEK电纺纤质量分数为60%、55%、45%、35%的PEEK/PMMA/CF复合材料。（2）样品的形貌、密度和亲水性:扫描电镜结果表示,在PEEK/PMMA/CF复合材料内部,三种纤维分布均匀,彼此穿插,互相缠绕;PEEK电纺纤维质量分数为60%、55%、45%、35%的PEEK/PMMA/CF复合材料的密度在1.1g/cm~3和1.26g/cm~3之间;复合材料表面具有亲水性,接触角在66.11°和76.39°之间。（3）样品热稳定性测试结果:TGA和DSC测试结果显示PEEK/PMMA/CF复合材料具有较高的热稳定性,不同PEEK质量分数的PEEK/PMMA/CF复合材料的玻璃化转变温度在120℃和124.5℃之间,热降解温度在341.3℃到352.6℃之间。（4）力学性能检测结果表示,与PEEK相比,PEEK/PMMA/CF复合材料的弹性模量更高,且更接近人体皮质骨。PEEK电纺纤维质量分数为45%的样品展示出更高的弹性模量（杨氏模量6.37±0.81）。（5）CCK-8实验结果显示,PEEK/PMMA/CF复合材料浸取液所培养细胞的相对生长率为86%-97%,与PEEK相比无显著差异（P>0.05）。（6）样品在影像学检查中的表现:植入到兔股骨中的PEEK和PEEK/PMMA/CF复合材料在X线,CT和MRI检查中可以清晰显示自身轮廓,且未产生伪影,不会影响周围组织的观察。（7）micro-CT扫描显示:PEEK和PEEK/PMMA/CF复合材料在植入到兔股骨4周和8周时,二者周围成骨情况无显著差异（P>0.05）。（8）组织切片显示:PEEK/PMMA/CF复合材料和PEEK植入物周围的骨组织生长情况无显著差别。结论:本实验采用静电纺丝和热压工艺成功制备了一系列不同PEEK和CF质量分数的PEEK/PMMA/CF复合材料,所得材料的弹性模量与PEEK相比更接近人体皮质骨;PEEK电纺纤维质量分数为45%的样品展示出更高的弹性模量。PEEK/PMMA/CF复合材料在X线、CT、MRI检查中自身轮廓显示清晰,无伪影产生,不影响对其周围组织的观察;该复合材料无细胞毒性和组织毒性;对周围新生骨组织生长无影响。
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