[发明专利]高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体及其成形方法

说明书

本发明公开一种高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体及其成形方法，该不锈钢植入体包括不锈钢基体以及在该基体内部原位生成的碳化物MC_x陶瓷增强相，其中，M为Ti、Zr、Nb、Ta、Si、B中的一种或多种。其成形方法为：将M粉末与碳粉在惰性气氛下湿式球磨混合，获得原位反应纳米碳化物所需混合粉末；将混合粉末与球形医用不锈钢粉末在惰性气氛保护下球磨，得不锈钢复合材料粉末；构建骨植入体三维模型，通过激光选区熔化工艺，在高纯惰性气氛环境下，将不锈钢复合材料粉末精密成形得到原位纳米碳化物MC_x陶瓷相增强的不锈钢植入体。该方法可成形得到复杂结构的原位纳米碳化物增强不锈钢植入体，且不锈钢植入体的耐蚀性能和服役寿命显著提高。

技术领域

本发明涉及一种高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体及其成形方法，属于医疗器械制造领域。

背景技术

不锈钢是临床应用最早的一类金属植入体材料，其良好的力学性能及优良加工成型性能和低廉的成本，促使其成为临床广泛应用的医用植入体材料和医疗工具材料。在骨科领域，医用不锈钢被广泛用来制作各种人工关节和骨折内固定器械，如人工关节、骨板等；在齿科方面，医用不锈钢被广泛应用于义齿种植体、齿科矫形、牙根种植及辅助器件；在心脑血管疾病治疗方面，医用不锈钢被用于管腔内植入物，如心脏外科介入治疗用心血管支架等。临床实验表明，在体液环境中，医用金属材料必须具有惰性或是高耐蚀性，这对于材料安全性来讲是至关重要。人体是一个严苛的腐蚀生理环境，体液中存在钠离子、氯离子和碳酸氢根离子等电解质及各种复杂的有机化合物，不锈钢植入体在植入人体内后需持久地浸泡于其中，被化学浸蚀是在所难免的，而因腐蚀造成的金属离子溶出对人体组织有毒害作用，极易影响人体组织的新陈代谢。其中，镍离子就是一种众所周知的有害元素，除了对人体产生过敏反应外，还存在致畸、致癌的危害性。另一方面，腐蚀易造成不锈钢植入体性能的下降，据统计，接近一半的不锈钢植入器件因腐蚀破坏而不得不从体内取出。点蚀、缝隙腐蚀及晶间腐蚀是不锈钢植入材料在体内的主要腐蚀方式。由此可见，提高不锈钢植入体的耐蚀性能已成为当前临床亟需解决的关键技术难题。

表面改性是指利用机械、物理或化学方法改变金属材料表面及近表面的成分或结构，获得生物惰性或活性表面层，提高材料性能的技术。目前，主要通过以下途径：(1)表面机械研磨对不锈钢进行表面纳米化处理，获得了硬度较高、耐腐蚀性较强的表面层，进而提升其耐蚀性能；(2)采用物理或化学气相沉积工艺在不锈钢植入体表面制备陶瓷涂层，以提高其耐蚀性能；(3)通过化学自组装工艺在不锈钢植入体表面制备疏水层，以改善其与人体体液的润湿性，进而提升其耐蚀性能。现有技术对提升不锈钢耐蚀性能具有一定的效果，但仍存在一些不足：具体表现在：一是，薄膜或涂层与不锈钢植入体基体界面结合力较弱，尤其是陶瓷薄膜，在服役过程中在冲击载荷或点接触应力作用下，薄膜极易产生裂纹，甚至开裂，最终导致失效；其次，因不锈钢植入体具有尺寸精密度、几何结构复杂等特点，其机械研磨、抛光等工艺难以均匀地使其表面纳米化；再者，铸造、锻造等传统工艺难以满足几何结构复杂的不锈钢植入体的精密制造。

发明内容

发明目的：针对现有的不锈钢植入体耐蚀性能差、服役寿命短、难以精密制造等问题，本发明提供一种高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体，并提供了该高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体的成形方法。

技术方案：本发明所述的高耐蚀性原位纳米碳化物增强不锈钢植入体，包括不锈钢基体以及在该基体内部原位生成的碳化物MC_x陶瓷增强相，其中，M为金属元素Ti、Zr、Nb、Ta和/或非金属元素Si、B中的一种或多种。碳粉可选自石墨、碳纳米管、石墨烯中的一种或几种。

其中，碳化物MC_x陶瓷增强相由纳米M粉末与碳粉在高能激光束作用下原位合成。原位反应的过程为：M+xC→MC_x。优选的，M粉末与碳粉在体能量密度为3～10kJ/mm³的高能激光束作用下原位合成碳化物MC_x陶瓷增强相。