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纤维增强聚乳酸在骨修复领域研究进展

发布日期:2025-10-22 16:17:35   浏览量 :871
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聚乳酸(PLA)作为一种可完全生物降解的高分子材料,因其良好的生物相容性和可吸收性,在骨修复领域展现出巨大的应用潜力,能够有效避免传统金属植入物需二次手术取出的问题。然而,PLA本身存在机械强度不足、脆性较高、降解产物偏酸性以及缺乏生物活性等缺点,严重限制了其在承重骨缺损修复中的实际应用。为了克服这些局限性,近年来研究者广泛采用纤维增强策略,通过将各类纤维材料引入PLA基体,显著改善其力学性能和生物学功能。

可用于增强PLA的纤维种类丰富,主要分为天然纤维和人造纤维两大类。

天然纤维包括矿物来源的玄武岩纤维、坡缕石,植物来源的洋麻、竹、椰壳纤维,以及动物源的蚕丝和胶原蛋白纤维等。它们通常具有优良的生物降解性和环境友好性,但往往因极性强、易吸水和热稳定性差,需通过碱处理、偶联剂改性等手段提高与PLA的界面相容性。

人造纤维则涵盖玻璃纤维、碳纤维、金属纤维(如不锈钢、镁合金丝)、生物活性陶瓷纤维(如羟基磷灰石、生物玻璃纤维)和合成聚合物纤维(如PGA、PVA、PVDF、芳纶等)。这些纤维通常具有更高的强度、模量及可调控的降解速率,在与PLA复合时表现出更显著的增强效率和结构可设计性。

纤维的引入主要通过桥联效应、裂纹偏转和有效的应力传递,显著提升PLA复合材料的抗拉强度、弯曲模量、抗冲击性和疲劳寿命。例如,短切玻璃纤维或碳纤维的加入可使PLA的刚度提高数倍,达到与人体皮质骨相当的力学水平;镁合金纤维不仅增强力学性能,还能中和PLA降解产生的酸性物质,并释放镁离子促进成骨;而PVDF等压电纤维更可赋予材料电活性,在体内力学刺激下产生微电流,进一步刺激细胞增殖和骨组织再生。此外,许多纤维(如生物玻璃纤维、羟基磷灰石纤维)具有优异的生物活性和骨传导性,能够加速材料表面的细胞粘附、增殖及矿物沉积,促进缺损区新骨生成。


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除了纤维种类,其形态参数(长度、取向、含量)和分散状态也对复合材料性能影响显著。连续纤维、定向排列纤维通常展现出比短切随机纤维更优异的增强效果;纤维与基体间的界面结合强度则直接决定了应力传递效率和最终力学性能,因此纤维表面改性(如硅烷化、聚合物接枝)和复合工艺(如熔融共混、溶液复合成型、3D打印)的优化至关重要。

尽管纤维增强PLA复合材料在骨板、螺钉、组织工程支架等器械中表现出广阔的应用前景,但目前仍面临若干挑战:部分纤维(如碳纤维、某些合成聚合物纤维)降解缓慢,可能导致长期残留和异物反应;天然纤维的热敏感性和易吸水性给加工带来困难;高含量纤维易发生团聚,影响材料均匀性和力学可靠性;复杂三维多孔结构的制备和纤维的空间可控分布仍存在技术瓶颈。

未来的研究需着力于开发新型可完全生物吸收的高强度纤维,优化表面功能化策略以改善纤维-基质界面,发展先进的仿生复合制造技术(如多材料3D打印、静电纺丝-熔融沉积联用),并系统开展长期体内实验评估其降解行为与生物安全性,以最终推动纤维增强PLA复合材料在临床骨修复中的规模化应用。

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