[发明专利]采用激光快速成形制备HA/Ti梯度生物活性材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于医学领域，涉及金属功能材料制备方法或者金属植入体的表面改性处理方法，特别是一种采用激光快速成形制备HA/Ti梯度生物活性材料的方法，用该方法制备骨组织金属植入体。

背景技术

钛及钛合金作为生物惰性材料以其良好的力学特性和生物相容性在口腔科、骨科领域和毗邻学科中得到广泛应用，可以加工成为牙种植体、人工关节、接骨板、髓内钉等。随着人口老龄化趋势，牙种植体、人工关节等植入体的植入数量逐年增加，在牙种植体方面，国内需求总量就超过400万枚。目前全球每年约有150万人接受人工关节置换术，国内每年约有200万人接受内固定和人工关节置换手术。随着医疗条件的改善和患者对生活质量要求的提高，牙种植体、人工关节等植入体将形成一个巨大的需求市场。虽然近年来钛植入体在材质、置备工艺、外形设计和表面改性等方面进行了改进，获得了较好的力学性能和生物相容性，但仍然存在材料表面生物活性不理想问题。因此，有必要从材料表面生物活性方面对现有钛植入体进行改性，提高材料表面的生物活性，使植入体能够与周围的骨组织形成稳定的生物结合，保证植入体的近远期效果。

羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA或HAp)是人体硬组织的主要成分，具有骨组织诱导再生作用，被公认是一种生物活性性材料。但是，对目前方法所加工出的钛基羟基磷灰石复合材料进行检测表明，二者的结合强度不足，植入体在体内承重时涂层易剥落。1984年，平井敏雄首先提出了梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，FGM)的新概念，基本思想是根据具体要求，选择两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其两相界面消失，从而得到功能相应于组成和结构变化而渐变的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配问题。激光快速成形(Laser Rapid Forming，LRF)技术是将激光涂覆和快速原型技术相结合的先进制造技术，具有快速、经济、不受零件的复杂程度限制等优点，并可使零件具有优越的性能，还具有加工复合材料的潜能。

20世纪60-80年代在对工业化材料进行生物相容性研究的基础上，开发了生物医用硬组织植入材料及产品，并运用于临床，包括不锈钢、钛及其合金以及钴基合金等金属材料。其中，钛金属由于其良好的力学性能、化学稳定性、抗腐蚀性能和生物学性能，成为目前应用最广泛的医用植入材料。上世纪80年代，以医疗、保健和增进生活质量等为目的生物医用硬组织材料取得了快速的发展，如1980年仅美国被用作人体硬组织的植入材料就有40多种，多达二三百万人次接受了植入治疗，使他们的寿命延长了5-25年，而且至今仍在临床广泛使用。然而，这一类生物医用硬组织植入材料在临床中只能被动地适应机体的生理环境，并不能加速伤口愈合。另外，其与骨组织缺乏键合作用，使植入材料与生物主体之间的界面问题成为临床应用过程中普遍存在和难以避免的制约因素。

因此，从上世纪80-90年代开始，生物医用材料的研究重点逐渐从生物惰性转向生物活性及生物可降解性方向，国内外学者开始对钛金属表面进行生物活性改性研究，旨在赋予其生物活性性、提高其表面稳定性、耐腐蚀性和基于硬度和弹性模量的力学相容性。常用的表面处理技术主要有物理方法、化学方法和电化学方法。其中，等离子喷涂是用直流电弧产生的等离子流把HA粉末高温熔融后高速喷至金属基体表面形成HA涂层，成为目前最常用的表面改性方法，且已应用于临床。但是等离子涂层材料在体内多种生物学效应的作用下，涂层会出现分层、降解甚至剥脱，长期效果不佳。阳极氧化法是利用电化学原理，在特定电解液中经电场作用形成具有活性的钛羟基(TiOH)，从而发挥钛羟基在生物体内或模拟体液中矿化形成磷灰石的作用。微弧氧化是在阳极氧化基础上建立起来的在有色金属表面原位生长陶瓷膜的技术，陶瓷膜的主要成分是具有晶态结构的TiO₂，在动物实验中证实可促进骨整合过程。但是，目前最有利于磷灰石形成的氧化物结构并不清楚，只是形成了具有一定孔隙和一定厚度的氧化物。医用植入材料的表面改性方法虽然很多，但迄今为止应用于临床的还仅限于等离子涂层材料和微弧氧化材料，其它涂层材料的临床应用尚未见报导。