[发明专利]一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及泡沫钛材料技术领域，具体涉及一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法。

 

背景技术

近年来， 骨缺损修复材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。传统的骨替代材料均采用致密的金属或合金，如钴镍合金、不锈钢、钛基合金等。其中，钛及钛合金相对于其它金属植入材料得到了更为广阔的应用，这主要得益于钛及钛合金具有出色的力学性能、优良的耐蚀性、以及优越的生物相容性（生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能）。然而，与具有多孔结构的人骨相比，钛及钛合金作为植入材料面临着两个问题：（1）钛及钛合金的杨氏模量与骨的模量不匹配而产生应力遮挡现象（固定材料对骨骼生理应力的分流现象称为固定材料对骨骼的应力遮挡）；（2）致密的结构不利于骨组织的长入，降低了钛及钛合金植入材料的使用寿命。因此，融合了多孔结构和钛合金双重性能的泡沫钛合金作为骨替代材料引起了人们广泛的关注。

泡沫钛的制备常采用粉末冶金固态发泡法，即著名的添加造孔剂技术（space- holder technique）。一般选择在烧结前容易去除的物质作为造孔剂，如尿素、碳酸氢铵、氟化钠、聚碳酸酯、卫生球、氯化钠、淀粉、金属镁以及钢等。其中，尿素作为造孔剂具有价格便宜、低温下易于脱除等优点而受到研究人员的亲睐。M. Bram等人第一次采用粉末冶金添加尿素作为造孔剂技术制备出了孔径介于100-2500μm、孔隙率介于60-80%的泡沫钛，并研究了试样的孔的几何结构（形状和孔径分布）；后不断有人采用该方法制造出泡沫钛，并研究不同孔隙率泡沫钛的压缩行为，杨氏模量和相对密度的关系，能量吸收特性；造孔剂的尺寸、添加量对泡沫钛试样烧结前后的结构与力学性能的影响等，但对于采用尿素作为造孔剂来设计和制备出符合骨替代材料要求的泡沫钛至今仍鲜有研究。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种杨氏模量与骨的模量相匹配的，利于骨组织长入的用于皮质骨的泡沫钛制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，具

体包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和造孔剂在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的质量份数比为67.2~72:28~32.8；

      2）将所述初步混物采用万能材料实验机单向压制成生压坯，其中单向压力为150~300MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1200℃~1300℃烧结2h脱除造孔剂，最后随炉冷却得到泡沫钛。

 作为优化，所述步骤1）中的造孔剂是粒度为225-420μm的针状结晶尿素颗粒。选择这个粒度的尿素作为造孔剂是为了制备出来的泡沫钛的孔径介于100-500μm的范围，有利于新骨组织的长入，从而加强植入体与骨之间的连接。

所述步骤1）中钛粉和造孔剂的用量比为69.3：30.7。

所述步骤2）中单向压力为200MPa。这样做的是为了使得压制出来的生压坯具有一定的强度，避免尿素脱除后压坯坍塌。

所述步骤3）中烧结温度为1250℃，烧结时间为2h。选择这样的烧结温度和保温时间是为了使烧结过程尽可能的充分，钛粉之间完全粘接在一起。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明从仿生学的角度设计出了力学性能和孔结构均符合人体皮质骨相匹配的泡沫钛，制备出的泡沫钛杨氏模量与人体皮质骨的杨氏模量相匹配，从而有效地避免了应力遮挡现象，实现了植入体的长久固定。此外，孔径尺寸介于皮质骨允许的范围内有利于新骨的长入和营养物质的输送。

2、本发明制备出的泡沫钛抗压强度与人体皮质骨的抗压强度非常接近，因此该泡沫钛具有非常长的使用寿命

3、本发明采用的原料为钛粉，造孔剂为尿素，主要设备包括压制机、碳管炉，具有操作简单、容易实现的优点。

4、本发明使用尿素作为造孔剂，脱除后不污染环境，具有环境友好、价格便宜的优点。

5、本发明没有添加任何的粘接剂，避免了有毒物质的带入，无毒的植入体将更有吸引力。

 

附图说明

图1为原料的扫描电镜图片，其中图(a) 为钛粉的扫描电镜图片；图(b) 为尿素的扫描电镜图片。

图2为本发明方法中泡沫钛的制备过程的示意图。

图3为实施例1中初步混物压坯烧结前后的宏观照片。