用于骨质的螺杆设计

作者：ERWIN BüRKLE    来源：KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

欢迎访问e展厅 展厅 1 注塑机展厅 注塑机, 立式注塑机, 二手注塑机, 真空成型机, 发泡注塑机, ... 加入少量磷酸钙就能改善聚乳酸医用植入物的固有强度和刚性。计量微小数量的细粉末，并将其与颗粒状的模塑料一起融化，形成完全均一的混合物，这是混合的难题所在。很小的投料量对混合物制造者而言是不经济的，因此开发了一种用于注射成型机械的特殊的螺杆几何尺寸。 塑料的临床应用已经非常令人振奋：不仅在许多短期应用中取得满意的效果，而且聚合物越来越能够媲美金属。主要的难点在于塑料医用产品在人体中的长期植入。 聚合物在医疗技术中的广泛应用得益于这类材料多种多样的性能。例如，利用塑料可以更加简洁巧妙地制成“药物释放系统”。这类可植入的药物储库，经由薄膜或带有精确孔径的泡沫系统，在机体内以可控的速率释放活性物质。塑料对X射线或磁场没有干扰，使用这些诊断方法时不会形成干涉伪影，这是塑料相比于金属的其他优势。 但是迄今为止，可吸收聚合物的机械特性仍然远远逊于金属植入物。因此，需要大量的研发工作促进这类材料适应新的应用。 改善刚性 为了改善塑料植入物的刚性和固有强度，必须在聚合物基质中加入功能性填料，从而实现缺损骨的稳定、等弹性固定之类的目的。不过，在植入物的使用期限内，加入的材料需要具有生物相容性和可吸收性。 磷酸钙是一类能够满足这些要求的填料，包括羟磷灰石以及β-磷酸三钙。磷酸钙（以下简称CaP）的化学组成在很大程度上与人体骨骼中的无机质一致。因此CaP在临床上可以广泛地用于金属植入物的涂层或作为骨骼填充材料。外科医生使用CaP加快愈合的过程，控制骨骼再生（骨传导）。生物聚合物可以形成骨细胞再生的“导轨”。此外，复合材料的刚性得到改善，限制了塑料聚合物的应用范围，这类物质目前局限于颌面外科（下颌及面部外科）。因为负荷较低，在这方面机械性能不是主要问题。不过，上肢骨折以及其他骨损伤的治疗中也需要这方面的应用。 在达到这一阶段前，有各种标准需要满足。例如，CaP粉末的加工对工艺学有严格的要求。植入物的制造过程通常有两个步骤：第一步，聚乳酸（PLA）与CaP粉末混合，在同向双螺杆挤出机中制成粒状。然后，在注射成型机械中进行单独的成型加工操作。 细粉末的混合—一个难题 然而，直接在注射成型机械中加工材料更为可行，至少一个步骤的工艺更为灵活，材料所受的应力较小并且成本更低。不过，CaP颗粒在聚合物基质中难以获得均一的分布。因为形成聚集体的趋势很强，所以在注射成型机械中，这种粉末的直接输送以及与基质材料的混合就会受到影响。此外，需要加工的粉末的量也相对较小。 为了获得令人满意的结果，必须保持特定的加工条件。例如，PLA颗粒以及填料中的残留水分对制造过程有严重的影响，因此对终产品的质量也有显著的影响。工艺必须非常温和，从而聚合物的分子量只有最小程度的降低，这对生产优质的负荷植入物结构尤其重要。 对于可吸收塑料制成的负荷或固定植入物，适当的机械强度是至关重要的。通过对弹性模量的比较，可以了解人体骨骼的刚度与金属植入物材料刚度之间的区别（见表1）。可吸收塑料的一个特征是，在机体内主要通过水解降解，随后被代谢。PLA属于“整体侵蚀聚合物”，因为降解逐渐在植入物的内部发生。植入后，水扩散进入聚合物，导致分子链不规则断裂，这种情形在聚合物的无定形区优先出现。 聚乳酸的加工经验 此前已经有众多的文献对PLA的加工进行了研究。了解流变性质尤其重要。这些敏感的材料主要受到温度、水分、剪切力还有停留时间的影响。 如果融化温度较高，就会加剧热降解和水解，而剪切力会下降。熔化温度为220℃时，特性粘度会发生改变，这与分子量的下降存在联系。已经发现，残留单体的存在会非常显著地加剧分子量的降低，尤其是在高于200℃这样的高温时。 水分还会影响分子量的降低。加工温度越高，残留水分对材料分解的影响越显著。一份研究发现，使用未干燥的颗粒原料制造的注射成型零件，在190℃的加工温度之下，分子量损失会高达80%。因此，预先干燥PLA非常重要，残留水分应该在0.01-0.02%的范围内。材料对加工温度下的停留时间也非常敏感。 加工过程中的高剪切力对PLA分子量的降低也有类似的影响。因此剪切速率应当尽可能低，停留时间尽可能短。工艺必须一直保持非常温和的条件。 确定问题的初步研究 混合物或复合材料直接进行混合有着显著的优势：单步骤工艺中材料受到的应力更小；减少了材料的降解，完全消除了额外的混合成本。此外，加工者可以针对产品分别制定配方。这些需要适宜的机械构造，从而材料只受到很轻微的损伤，填料能够分布均匀且没有聚集，并且操作具有重现性。KraussMaffei Technologies公司（德国，慕尼黑）的一个项目目标就是寻求这样的构造（见表2）。 初步研究中已经发现，料斗的进料非常关键。因为CaP粉末不会自由流动，因此会出现偏析和桥接。这必然会导致终产品的质量出现波动，最严重的情况下会使生产中断。CaP粉末在标准螺杆中也会出现类似的问题，不仅在螺槽内会形成粉末团块，还会影响止回阀的运行。因为假定了聚集体与颗粒的外形和大小之间存在联系，所以对PLA粉末的加工也进行了研究。 PLA颗粒的干燥温度仅为50℃。这种原料不能耐受更高的温度，因为在相对早的阶段就会出现结晶，到达玻璃化转变温度时粒料会结块。而CaP因为比表面积大，能够迅速结合水分，所以干燥温度为400℃。 针对PLA-CaP混合物，使用了一种经过改良的微量计量方法。试验中使用的是带有SP55注射单元的KM50 CX注射成型机（合模力500 kN），填料含量为20%至40%。使用的螺杆直径为15mm，螺杆有效长度L/D =20。 测试用于直接混合的两种螺杆设计 对PLA粉末和粒料进行的测试中，使用的是含有CaP的预混料，比例为80:20和60:40 wt.-% (PLA:CaP)。零件的注塑量为1.1g。如此低的量乍看之下令人惊讶，但是骨缝合术中实际所需的零件也是非常小的。不过同时也产生了另一个问题：如此低的通量要求停留时间很短，避免原料受到热损伤。 早在初步研究中就已经发现，标准螺杆不适合用于含有填料的PLA颗粒的直接混合。因此，在项目实施中，对两种螺杆几何构造进行了研究和测试，这是为了分散混合物中容易结块的添加剂而专门设计的。 ■ 一种为能量转移（ET）螺杆，所设计的几何构造是为了分散聚集体； ■ 另一种为粉末混合螺杆，进料区中有混合段，还有Maddock剪切段。 相比之下，标准螺杆可以直接加工低填料含量的PLA粉末。不过，PLA粉末的生产中存在一个问题。至今低温加工塑料颗粒的尝试还未能成功。为了让温度依赖性的分子量降低保持在最低限度，必须使用低温。然而，因为如此，还需要在洁净室环境中进行中间处理。 比较粉末和颗粒的直接加工 对粉末进行的测试中，总体而言比例为80:20的混合物没有太多争议。熔体压力以及垫料量之类的工艺参数保持稳定，如果适当调节计量，塑化时间也不会出现明显的波动。 而比例为60:40的粉末则更为复杂：CaP的比率高，会显著影响混合物的自由流动，增加进料区出现桥接的风险。而且螺杆扭矩也非常高，可能会导致堵塞。熔体的均匀性不能满足要求；PLA基质中能检测到聚集体。 PLA颗粒和CaP粉末的加工中，填料含量为20%的混合物适用于所有螺杆的进料。不过填料含量为40wt%的混合物的进料存在一些困难，发现产品质量有很大的区别。填料含量高时对自由流动造成严重的影响，这是一个普遍的问题。 螺杆几何尺寸的影响 多种螺杆尺寸中，特定的混合区会在不同程度上影响熔体机械应力和耗散应力。此外，混合区对塑化过程中熔体的停留时间也具有影响。 与原始数据对比，加工之后溶液的粘度显著降低，即使是无填料的PLA。标准螺杆和粉末混合螺杆的值是一致的。这表明，纯PLA加工过程中混合几何结构的机械应力对降解行为只有少量影响。含有20% CaP的样品有非常显著的分子量损失。不同的螺杆构造之间存在明显的区别。例如，分散固体的设计比粉末混合螺杆更为温和。 与粉末混合螺杆相比，背压和剪切率低时，固体分散的设计不能获得理想的均一化。不过，提高这些参数，就能实现良好的混合，并且分散也理想。粉末混合螺杆的出色之处在于，即使在低背压和低螺杆转速之下，也能获得良好的均一化。两种混合螺杆的降解率有显著的差异。对于相同的参数，固体分散螺杆设计中的混合更为温和。 总结 PLA-CaP复合物可以借助特殊的混合区以及适宜的混合螺杆直接进行加工。小室容积计量适合用于传送流动性差的粉末。微量计量方法对这一目标非常关键，在应用中也很有效。没有中断的连续加工链对产品和工艺质量都有益处。以下几点对直接加工而言不可或缺： ■ 循环中计量装置自动开、关， ■ 确切的计量容积控制， ■ 单个部件的精确重量计量， ■ 两种组分的连续干燥过程，以及 ■ 使用适宜的螺杆设计。 一段时间以来，医疗技术中具有广泛应用的可吸收植入物已经有了蓬勃的发展。本研究为这类复杂零件的生产打下基础。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (12/25/2012)