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一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料及其制备方法和应用技术

技术编号:21287724 阅读:46 留言:0更新日期:2019-06-11 23:32
本发明专利技术提供一种多孔Ti‑Nb‑Zr复合人造骨植入材料及其制备方法和应用,所述方法操作如下:将硬质钢内管与模具固定器外管组合固定于硬质钢模具中,先取出模具固定器外管填入定量配比的钛、铌、锆、碳酸氢铵复合粉末后预压成型获得环状柱体压坯,按照同样步骤取出硬质钢内管,填入定量配比的钛、铌、锆复合粉末后预压获得柱体压坯,再将两步成型的柱体坯料在轴向压力下压实后置于石墨模具中进行脉冲直流活化烧结,最终获得多孔骨硬植入材料。采用本发明专利技术方法制备的骨植入材料不仅因为其外层的多孔结构具有良好生物活性和适合与人体骨骼相匹配的低弹性模量,还因其芯部致密的结构而具有优异的抗压性能,因此可作为理想的人造骨组织植入材料。

A Porous Ti-Nb-Zr Composite Artificial Bone Implant Material and Its Preparation and Application

The invention provides a porous Ti_Nb_Zr composite artificial bone implant material and its preparation method and application. The operation of the method is as follows: fixing the hard steel inner tube and the outer tube of the die fixator in the hard steel mould, first taking out the outer tube of the die fixator and filling the titanium, niobium, zirconium and ammonium bicarbonate composite powder with a quantitative ratio, and then pre-pressing to obtain the ring column compact, in the same way. The inner pipe of hard steel was taken out step by step. The composite powder of titanium, niobium and zirconium was filled with a quantitative ratio, and then the cylinder was pre-pressed. Then the two-step formed cylinder was compacted under axial pressure and then sintered in graphite mould by pulsed direct current activation. Finally, porous bone and hard implant materials were obtained. The bone implant material prepared by the method of the invention can be used as an ideal artificial bone tissue implant material not only because the porous structure of its outer layer has good biological activity and low elastic modulus suitable for matching with human skeleton, but also because of its compact core structure and excellent compressive performance.

【技术实现步骤摘要】
一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及骨植入材料制备
,尤其涉及一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料及其制备方法和应用。
技术介绍
生物医用钛合金因其良好的力学性能、耐生物腐蚀性能、高疲劳强度和低弹性模量以及良好的生物相容性等优点,在临床骨替换和骨修复材料中得到广泛应用。但是钛合金的惰性天然属性,使其在植入人体后无法主动适应自然的骨组织和生理环境,两者之间只是简单的锁合。而且钛合金较高的弹性模量与自然原生骨呈现出生物力学不相容会造成应力屏蔽,引起自然骨组织功能的退化或吸收。因此钛合金不能与骨组织形成有效骨结合、骨整合的能力,并且在长期服役状态下容易造成植入体松动,甚至导致植入失败,从而制约了钛合金在医用领域的广泛应用。而孔隙结构的引入可以降低生物材料的弹性模量,使其符合自然骨组织要求,并且增加了材料表面与植入体内组织、骨细胞和组织体液之间的接触面积,可诱导骨组织的向内生长。例如据文献报道,通过粉末冶金方式制备的多孔Ti合金、多孔Ti-Mg合金和多孔Ti-HA复合材料等多孔材料,在生物性能学方面都取得了较好的结果,此类多孔材料的弹性模量和抗弯强度都与人体骨密质较为接近。但材料中孔隙结构的引入将导致材料的力学性能、腐蚀性能的下降,并且随着孔隙特征的变化(孔隙率增加,孔隙尺寸增大)而急剧降低。申请号为CN201510836735.2的中国专利公开了一种Ti-39Nb-6Zr生物医用多孔钛合金及其制备方法,该合金由铌,锆和钛组成,其中铌39w%,锆6w%,余量为钛;钛合金的孔隙率为19.4%-42.1%。采用真空自耗熔炼方法制备Ti-39Nb-6Zr合金铸锭,利用旋转电极雾化法获得球形粉末颗粒;选用100-150目的合金粉末,添加粘结剂,或碳酸氢铵造孔剂和粘结剂,充分混合,压制成压坯;在通氩管式烧结炉中进行压坯烧结,彻底清除粘结剂,或造孔剂和粘结剂,获得多孔合金。该合金弹性模量为3.6GPa~12.4GPa,抗拉强度为123.8MPa~347.5MPa,虽然该专利制备的圆柱体多孔合金具有弹性模量低的优点,但是该多孔合金在制备前期需要对合金进行多次熔炼和雾化成粒,且合金中铌的成分比例较高,造成成本大大增加,限制其推广应用;制备过程中烧结温度较高,升温加热速度较慢,烧结时间较长;材料在制备过程使用粘接剂聚乙二醇,低分子量聚乙二醇具有一定毒性,且烧结温度在300℃才会发生分解,增加了作为人体植入材料的风险。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术的目的在于提供一种径向成分一致,结构变化的外层多孔Ti-Nb-Zr骨硬植入材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的多孔骨硬植入材料使用具有良好生物相容性和高强度、高耐腐蚀性能的Ti-Nb-Zr合金作为基体材料,在外层Ti-Nb-Zr合金材料中适当引入孔隙特性(孔隙率和孔隙直径),不但降低了骨与植入件的弹性模量差异,还促进了两者的结合性和整合性。并且采用脉冲直流活化烧结技术,较常规粉末冶金烧结具有升温降温速率快、保温时间短、制备过程洁净等优点。本专利技术第一方面,提供一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料制备方法,所述制备方法包括以下步骤:步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和锆(Zr)混合金属粉末在氩气气氛下放入球磨罐中,将氩气气氛球磨罐放入高能球磨机上进行球磨混粉,然后在真空干燥箱中烘干后得到复合金属粉末A;步骤(2)复合金属粉末A和造孔剂碳酸氢铵粉末在V型混料机中混合得到复合粉末B;步骤(3)利用硬质钢内管与模具固定器外管组合固定于硬质钢模具中,采用两步成型获得压坯材料:先将模具固定器外管取出填入复合粉末B后预压成型获得环状柱体压坯,再将硬质钢内管取出填入复合金属粉末A进行预压获得圆柱体压坯;步骤(4)预压成型的圆柱体压坯在轴向压力下压实后置于脉冲直流活化烧结炉石墨模具中,抽取真空进行活化烧结,并在烧结过程中持续抽真空使得压坯外层的碳酸氢铵完全分解产生的气体排出;(5)烧结完成后随炉冷却至室温,脱模即可得到径向成分一致,结构变化的外层多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料。进一步地,步骤(1)所述复合金属粉末A中铌(Nb)质量百分比为8~15%、锆(Zr)质量百分比为8~15%、余量为钛(Ti)。进一步地,步骤(1)机械球磨过程中不锈球与混合金属粉末质量比为3:1~10:1,加入无水乙醇作为分散剂,在氩气气氛保护下进行球磨,转速为200~700r/min,时间为2~15小时;无水乙醇的加入量足够淹没粉末和球磨球即可。进一步地,所述钛(Ti)、铌(Nb)和锆(Zr)的平均粒径均小于100μm,纯度均≥99.95%;所述造孔剂碳酸氢铵粉末平均粒径为80~450μm。进一步地,步骤(2)在复合粉末B中复合金属粉末A的质量百分比为50~90%、造孔剂碳酸氢铵粉末的质量百分比为10~50%;步骤(2)混料过程在氩气环境下进行,混料机转速为50~150r/min,时间为10~40min。进一步地,步骤(3)复合粉末B预压成型的环状柱体压坯直径范围为由复合金属粉末A预压成型的芯部材料直径范围为整体圆柱压坯的直径与环状柱体压坯直径一致,压坯高度H≤50mm。进一步地,步骤(4)对圆柱体压坯施加的轴向压实压力为50~400MPa,烧结过程中持续抽真空使得炉内真空度保持在10Pa以下,脉冲直流活化烧结的目标温度为850~1250℃,烧结时间为5~15min,目标温度的升温速率为50~150℃/min;升温过程中,当温度上升至150℃时,保温1~2分钟使得造孔剂完全分解,再以60~200℃/min升温速率加热至烧结目标温度。作为优选,脉冲直流活化烧结的目标温度为1000~1150℃。进一步地,步骤(5)烧结结束后,烧结炉以20~100℃/min的降温速率冷却至室温。本专利技术第二方面,提供所述制备方法得到的多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料。本专利技术第三方面,提供所述多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料的应用。本专利技术提供的成分纯净、组织均匀、弹性模量低、强度适宜、生物相容性和成骨活性好的径向成分一致,结构变化的外层多孔骨硬植入材料可作为良好的医用植入或者替换材料,适用于制备牙种植体、人工关节、骨创伤产品等材料,其在结构设计与制备方法上均为临床应用提供了相应的研究基础。本专利技术的特点如下:本专利技术将硬质钢内管与模具固定器外管组合固定于硬质钢模具中,先取出模具固定器外管,填入定量配比的Ti、Nb、Zr、NH4HCO3复合粉末后预压成型,获得环状柱体压坯,按照同样步骤取出硬质钢内管,填入定量配比的Ti、Nb、Zr复合粉末后预压获得柱体压坯,再将两步成型的柱体坯料在一定轴向压力下压实后置于石墨模具中进行脉冲直流活化烧结,最终获得径向成分一致,结构变化的外层多孔骨硬植入材料。采用本专利技术方法制备的骨植入材料不仅因为其外层的多孔结构具有良好生物活性和适合与人体骨骼相匹配的低弹性模量,还因其芯部致密的结构而具有优异的抗压性能,因此可作为理想的人造骨组织植入材料,适用于制备牙种植体、人工关节、骨创伤产品等材料。采用脉冲直流活化烧结法制备Ti-Nb-Zr复合人造骨组织替换材料,烧结时间短,节能高效,不需要粘结剂,绿色环保。另外,本专利技术通过控制Ti、Nb、Zr三种成本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种多孔Ti‑Nb‑Zr复合人造骨植入材料制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和锆(Zr)混合金属粉末在氩气气氛下放入球磨罐中,将氩气气氛球磨罐放入高能球磨机上进行球磨混粉,然后在真空干燥箱中烘干后得到复合金属粉末A;步骤(2)复合金属粉末A和造孔剂碳酸氢铵粉末在V型混料机中混合得到复合粉末B;步骤(3)利用硬质钢内管与模具固定器外管组合固定于硬质钢模具中,采用两步成型获得压坯材料:先将模具固定器外管取出填入复合粉末B后预压成型获得环状柱体压坯,再将硬质钢内管取出填入复合金属粉末A进行预压获得圆柱体压坯;步骤(4)预压成型的圆柱体压坯在轴向压力下压实后置于脉冲直流活化烧结炉石墨模具中,抽取真空进行活化烧结,并在烧结过程中持续抽真空使得压坯外层的碳酸氢铵完全分解产生的气体排出;(5)烧结完成后随炉冷却至室温,脱模即可得到径向成分一致,结构变化的外层多孔Ti‑Nb‑Zr复合人造骨植入材料。

【技术特征摘要】
1.一种多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:步骤(1)将钛(Ti)、铌(Nb)和锆(Zr)混合金属粉末在氩气气氛下放入球磨罐中,将氩气气氛球磨罐放入高能球磨机上进行球磨混粉,然后在真空干燥箱中烘干后得到复合金属粉末A;步骤(2)复合金属粉末A和造孔剂碳酸氢铵粉末在V型混料机中混合得到复合粉末B;步骤(3)利用硬质钢内管与模具固定器外管组合固定于硬质钢模具中,采用两步成型获得压坯材料:先将模具固定器外管取出填入复合粉末B后预压成型获得环状柱体压坯,再将硬质钢内管取出填入复合金属粉末A进行预压获得圆柱体压坯;步骤(4)预压成型的圆柱体压坯在轴向压力下压实后置于脉冲直流活化烧结炉石墨模具中,抽取真空进行活化烧结,并在烧结过程中持续抽真空使得压坯外层的碳酸氢铵完全分解产生的气体排出;(5)烧结完成后随炉冷却至室温,脱模即可得到径向成分一致,结构变化的外层多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料。2.根据权利要求1所述的多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料制备方法,其特征在于,步骤(1)所述复合金属粉末A中铌(Nb)质量百分比为8~20%、锆(Zr)质量百分比为8~15%、余量为钛(Ti)。3.根据权利要求1所述的多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料制备方法,其特征在于:步骤(1)机械球磨过程中不锈球与混合金属粉末质量比为3:1~10:1,加入无水乙醇作为分散剂,在氩气气氛保护下进行球磨,转速为200~700r/min,时间为2~15小时。4.根据权利要求1所述的多孔Ti-Nb-Zr复合人造骨植入材料制备方法,其特征在于,所述钛(Ti)、铌(Nb)...

【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

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