[发明专利]中空纤维多孔生物钛材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种生物工程技术领域的方法，具体涉及一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法。

背景技术

金属生物材料中，生物钛材由于具有理想的生物相容性、优秀的抗腐蚀性能、高的疲劳强度、低弹性模量，是长效或永久人体植入最理想的金属生物材料。然而，生物钛材的弹性模量与自然骨骼相比仍然较高，使得钛材作为骨架的支撑体，与骨架本体在受力条件下变形不协调，这导致前者容易脱离后者，不利于患者的康复。其中有效的解决途径之一是制备多孔钛或多孔钛合金，以获得低弹性模量、强度适中的金属生物材料。在一定孔隙率下，多孔钛的力学性能与自然骨相匹配，有利于解决或减轻植入体与骨的应力屏蔽，延长植入体的寿命。另一方面，多孔金属材料不仅弹性模量与自然骨骼更加匹配，其中存在的孔隙对促进人体组织的愈合也有着重要的意义。理想的骨修复材料在具有良好的生物相容性和骨传导性的同时，材料还应该具有在非骨环境下诱导成骨的能力，即骨诱导性。多孔结构是材料具有诱导性的必备条件。

若进一步在多孔结构的人造骨骼中制造出中心空洞，则贯通的孔洞能够提供骨髓或体液存在、流动的空间，加强植入体与自然骨骼间的有效连接，激活骨细胞在植入物周围和内孔隙的正常生长，即进一步促进骨整合。甚至可在此中空结构中填充骨蛋白(Bone Morphogenetic Proteins，缩写BMPs)或生物因子，从而促进骨组织再生和重建、改善植入后患病器官或肢体功能的恢复。

传统的多孔金属制造技术可分为以下三类：(1)液态金属与气体物理混合法制备多孔金属，通过向液态金属中注入气体，冷却后形成多孔金属，缺点是孔隙密度和均匀性不容易精确控制；不适合于液态粘度较高的合金泡沫材料的制备；对于注入液态金属的气体还应避免与金属发生反应。(2)固-气相共晶凝固方法，要求凝固的金属与气相存在共晶反应，且孔隙的数量、大小、形状和方向受到加入气体的量、压力、方向、热运动的速率以及合金化学成分的控制，因此具有很大的局限性。(3)粉末冶金方法制造多孔金属，经过金属制粉、压制成型、烧结等工艺环节，缺点是工艺复杂、成本高。

经对现有技术的文献检索发现，陈思杰等在《热加工工艺》2005年第5期第54-57页上发表的“泡沫铝的制备工艺、组织性能及应用前景”，该文中采用粉末冶金法制造泡沫铝材料，具体方法是：首先将铝粉或铝合金粉与少量的发泡剂混匀，其次将混匀的混合物压制成无残余通(开)孔的密实块体。压实后还要做进一步的加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品。然后，将此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的高温。在加热过程中，发泡剂分解，释放出大量的气体(氢)，迫使致密的压实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。但工艺过程非常复杂，多道工序，制造成本较高。

生物力学性能是植入体的一项重要的性能，生物医用材料在需要低模量的同时还需要高强度，而为获得低弹性模量，传统的多孔金属制造技术多以牺牲强度为代价的。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，使其多孔结构和中空结构大大改进了人造骨骼的生物学特性，制造方法简单，速度快，成品率高，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)将钛或钛合金纤维缠绕在致密芯棒上，整形。

所述钛或钛合金纤维的缠绕方式有随机缠绕、具有规则形状的缠绕；或者按照平纹或斜纹结构编织后在芯棒上进行压贴。

所述缠绕或压贴在芯棒上的钛或钛合金纤维的质量，根据需要而定，可以为20-30g。

(2)将表面缠绕钛或钛合金纤维的芯棒置入模具中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头进行压实，在负载压力下保荷，除去模具及芯棒，得到所需长度、孔隙率的中空多孔棒或柱状物。

所述模具和芯棒，应具有足够的力学强度和刚性以承受成型时的压力，模具和芯棒可由碳钢、不锈钢、合金钢、模具钢等制成，其尺寸大小根据需要而定。本发明中模具和芯棒由碳钢制成，其中模具内径为20mm，芯棒直径为8mm。

所述压力，其参数范围根据所需孔隙率、材料材质与规格尺寸而定，可以在0.3T-1.5T之间。

所述保荷时间为10-20秒钟，在此时间范围内保荷目的在于：以免坯体发生弹性形变恢复，降低或没有达到所需的效果。保荷时间小于10秒时，坯体也可能发生弹性形变恢复，而保荷时间达到20秒钟时，坯体基本上不再发生弹性形变，故无须继续延长保荷时间。

(3)将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空或氩气氛围下烧结，烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料。