一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料及其制备方法和应用，本发明专利技术所述骨科硬植入材料由钛、铌和铜生物元素构成，将钛、铌和铜金属粉末称重配比经球磨获得复合金属粉末；将球磨后的复合金属粉末与造孔剂碳酸氢铵按所需孔隙率进行计算、称重和配比后利用V型混料机混合；然后经冷压成型制得圆柱体压坯，将圆柱体压坯置于脉冲等离子活化烧结炉中，系统真空抽至后进行阶梯加热过程活化烧结，烧结完毕完成后随炉冷却至室温、退模获得生物医用多孔钛铌铜材料。利用本发明专利技术方法制备得到生物医用多孔钛铌锆材料具有与人体骨骼相匹配的孔隙特征和低弹性模量，并且不含粘结剂、成分洁净、成分组织均匀等特点，是良好骨科硬组织修复或替换材料。

【技术实现步骤摘要】
一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及骨科硬植入材料制备
，尤其涉及一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在人工骨关节、骨创伤、脊柱矫形和固定等骨替换材料中，生物医用钛合金因其良好的综合力学性能、耐生物腐蚀性能、高疲劳强度以及优良的生物相容性等特点，从而成为首要的选择材料。钛合金具有良好生物惰性，从而使其在植入体内不会对人体产生毒性作用。纯钛、Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb合金拥有很长的生物医用历史。但是此类传统医用钛合金中含有Al、V等毒性元素，铝元素在人体中长时间的释放和积累将造成阿尔茨海默病(老年痴呆症)，而钒元素在人体中的释放和积累将会对人体细胞造成毒性作用及不良组织反应。因此，在设计新型医用钛合金时对此类有毒元素进行摒弃。目前采用较多的合金元素有被誉为生命元素的铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、锡(Sn)等对细胞毒性影响较低元素。添加此类合金元素不仅能提高钛基医用合金的力学性能、耐腐蚀性能、耐磨性能，改善材料的生物相容性；而且此类合金元素对钛合金的弹性模量有一定的降低作用。特别是Nb元素不仅能提高钛合金的耐腐蚀性能和耐磨性能，在合适的添加量下能使钛合金具有超弹性行为。作为骨科硬植入材料，在植入体内后与自然骨组织之间由于弹性模量的差异性，将造成应力载荷的传导不均匀，而形成“应力遮挡”现象，长时间的植入将容易造成植入体松动，甚至会导致植入材料的植入失败。此外，在植入材料在植入过程中不可避免地会有细菌感染的可能性，在植入后较长一段时间将需要进行抗炎症药物的辅助治疗来控制感染的扩散。此类炎症感染将加大患者在治疗过程的伤害，严重影响植入体在人体内的适应过程及使用寿命。申请号为CN201110232843.0的中国专利结合钛合金的良好力学性能与铜元素的抗菌性能，在医用钛合金中添加适量的Cu元素，从而赋予钛合金抗细菌感染的功能；同时在钛合金中添加Cu元素，钛合金基体中析出钛-铜金属间化合物，可同步提高材料的力学性能。上述专利虽然赋予了钛合金抗菌性能，但钛合金的生物力学适配性(弹性模量较高)问题依然存在。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有生物医用钛合金存在的不足，提供一种多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，得到成分纯净、组织均匀、力学强度适宜、良好生物相容性和抗菌性，兼具高生物力学匹配性的弹性模量的硬组织植入钛合金，可作为良好的人造硬植入或者替换医用材料，为实现在骨科临床上的应用提供基础研究。本专利技术第一方面，提供一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和铜(Cu)金属粉末进行称重配比，然后将金属粉末放入球磨罐中，添加无水乙醇作为过程冷却剂，密封后将球磨罐放入机械球磨机上球磨混粉，再对球磨粉末真空干燥，得到Ti-Nb-Cu复合金属粉末；步骤(2)将步骤(1)中获得的部分Ti-Nb-Cu复合金属粉末与起泡剂碳酸氢铵(NH4HCO3)粉末利用V型混料机混料获得TiNbCu-NH4HCO3混合粉末；步骤(3)将获得的TiNbCu-NH4HCO3混合粉末放入硬质合金钢模具中冷压成型，脱模后得到圆柱体预压坯块；步骤(4)将获得的圆柱体预压坯块放入脉冲等离子活化炉的石墨模具中，然后置于烧结炉炉内并抽真空烧结，加热烧结完毕后冷却至室温退模得到生物医用多孔钛铌铜材料。进一步地，所述Ti-Nb-Cu复合金属粉末中铌(Nb)的质量百分比为15～40％、铜(Cu)的质量百分比为1～10％、余量为钛(Ti)。进一步地，所述TiNbCu-NH4HCO3混合粉末中Ti-Nb-Cu复合金属粉末的质量百分比为60～90％，造孔剂NH4HCO3粉末的质量百分比为10～40％。进一步地，步骤(1)中所述钛、铌、铜金属粉末的纯度均≥99.9％，粉末平均粒径均≤100μm；步骤(2)中所述造孔剂NH4HCO3粉末的纯度为分析纯，平均粒径为80～450μm。进一步地，步骤(2)中V型混料机的转速为50～150r/min，混料20～40min。进一步地，步骤(3)将TiNbCu-NH4HCO3混合粉末放入硬质合金钢模具中在100～500MPa的轴向压力下保压30～60min冷压成型。进一步地，步骤(4)活化烧结前对烧结炉炉内进行抽取真空，真空度在10Pa以内，然后以50～100℃/min升温速率加热至150℃处，保温1～2min，使得材料中添加的造孔剂碳酸氢铵充分分解，再以40～150℃/min升温速率加热至烧结目标温度750～1050℃，保温5～15min结束后随炉冷却至室温。本专利技术第二方面，提供所述制备方法得到的生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料。所述材料兼具抗菌功能、低弹性模量、高孔隙率、高强度和良好生物相容性。本专利技术第三方面，提供所述生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的应用。采用本专利技术方法制备的多孔钛铌铜生物医用合金具有潜在理想的骨科植入或替换材料的优点，可作为理想的人体硬组织再生或者重构材料在临床上应用。本专利技术的特点如下：作为骨科植入或替换材料中的钛及钛合金，其存在弹性模量高的问题容易导致在植入体内与自然骨组织产生“应力屏蔽”现象。通过添加作为β相稳定元素Nb可部分降低钛合金的弹性模量，并使其具有超弹性。然后与自然骨组织相比，β型钛合金的弹性模量依然难以满足临床上骨植入材料的生物力学适配性要求。除此之外，患者在外部创伤或者临床植入时引发的细菌感染问题。因此，在具有超弹性性能的Ti-Nb合金中引入特定的孔隙结构和抗菌元素Cu掺杂，Cu元素不仅能降低合金的弹性模量，而且能够增加合金的抗压强度，促进植入后成骨细胞的粘附、生长和分化，实现植入材料与周围骨组织的生物骨性固定，还能使植入材料具有良好的抗菌性能；而且本专利技术方法在生产及制备过程中采用脉冲直流活化烧结法制备人造骨组织材料，烧结温度低，烧结时间短，节能高效，不需要粘结剂和模板剂，绿色环保。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)与自然骨组织相匹配的弹性模量。本专利技术方法制备的多孔钛铌铜骨植入材料弹性模量范围为8～41GPa，抗压强度范围为65～278MPa；天然人骨随着不同部位而变化，其弹性模量范围为10～30GPa，抗压强度范围为80～220MPa。本专利技术制备的多孔钛铌铜骨植入材料弹性模量和抗压强度和人骨组织具有生物力学匹配性，降低“应力屏蔽”效应，避免植入失败。(2)孔隙特征可控。本专利技术方法制备的多孔钛铌铜骨植入材料孔隙率范围处于10～50％，孔隙尺寸范围处于50～500μm，此孔隙特征参量有利于成骨细胞在材料表面的粘附生长，使材料与原生骨组织之间产生良好的骨性结合，延长植入材料的服役寿命。(3)良好抗菌性能。多孔钛合金材料中添加具有抗菌功能的Cu元素，防止患者在外部创伤或者材料植入手术过程中的细菌感染，从而减少患者的痛苦，增加植入物的植入成功率。附图说明图1为本专利技术实施例多孔钛铌铜骨科植入材料的球磨后粉末X射线衍射图谱；图2为本专利技术实施例烧结后多孔钛铌铜骨科植入材料的X射线衍射图谱；图3为本专利技术实施例烧结后多孔钛铌铜骨科植入材料的宏观形貌图；图4为本专利技术采用的多孔钛铌铜素坯硬质合金钢模具主视图：图中1-模具压杆，2-模具模体，3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和铜(Cu)金属粉末进行称重配比，然后将金属粉末放入球磨罐中，添加无水乙醇作为过程冷却剂，密封后将球磨罐放入机械球磨机上球磨混粉，再对球磨粉末真空干燥得到Ti‑Nb‑Cu复合金属粉末；步骤(2)将步骤(1)中获得的部分Ti‑Nb‑Cu复合金属粉末与起泡剂碳酸氢铵(NH4HCO3)粉末利用V型混料机混料获得TiNbCu‑NH4HCO3混合粉末；步骤(3)将获得的TiNbCu‑NH4HCO3混合粉末放入硬质合金钢模具中冷压成型，脱模后得到圆柱体预压坯块；步骤(4)将获得的圆柱体预压坯块放入脉冲等离子活化炉的石墨模具中，再置于烧结炉炉内抽真空烧结，加热烧结完毕后冷却至室温退模得到生物医用多孔钛铌铜材料。

【技术特征摘要】
1.一种生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和铜(Cu)金属粉末进行称重配比，然后将金属粉末放入球磨罐中，添加无水乙醇作为过程冷却剂，密封后将球磨罐放入机械球磨机上球磨混粉，再对球磨粉末真空干燥得到Ti-Nb-Cu复合金属粉末；步骤(2)将步骤(1)中获得的部分Ti-Nb-Cu复合金属粉末与起泡剂碳酸氢铵(NH4HCO3)粉末利用V型混料机混料获得TiNbCu-NH4HCO3混合粉末；步骤(3)将获得的TiNbCu-NH4HCO3混合粉末放入硬质合金钢模具中冷压成型，脱模后得到圆柱体预压坯块；步骤(4)将获得的圆柱体预压坯块放入脉冲等离子活化炉的石墨模具中，再置于烧结炉炉内抽真空烧结，加热烧结完毕后冷却至室温退模得到生物医用多孔钛铌铜材料。2.根据权利要求1所述的生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，其特征在于：所述Ti-Nb-Cu复合金属粉末中铌(Nb)的质量百分比为15～40％、铜(Cu)的质量百分比为1～10％、余量为钛(Ti)。3.根据权利要求1所述的生物医用多孔钛铌铜骨科植入材料的制备方法，其特征在于：所述TiNbCu-NH4HCO3混合粉末中Ti-Nb-Cu复合金属粉末的质量百分比为60～90％，造孔剂NH4HCO3粉末的质量百分比...

【专利技术属性】
技术研发人员：张瑾，何远怀，孙韬，陈安然，
申请(专利权)人：云南大学，
类型：发明
国别省市：云南,53