一种高强度低弹性模量锆铌钛牙科种植体材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种同时拥有较高抗压强度和较低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料及其制备方法，所述锆铌钛牙科种植体材料在烧结冷却过程中有层片状和针状析出组织，这种组织有利于锆铌钛合金获得良好的力学性能与生物相容性能，其制备方法包括以下步骤：将锆铌钛粉末按照一定比例混合均匀，通过粉末冶金方法压制成形，在保护气氛中，将温度升至950℃进行保温，最后于1400～1600℃进行真空烧结，得到综合性能较高的牙科种植体材料。上述锆铌钛合金，相对密度为90％以上，抗压强度在1100～1289MPa范围内变化，弹性模量在32～41GPa范围内变化，在保证强度的情况下，弹性模量较低，与人体上下颌骨力学相容性好，与口腔上皮与纤维组织生物相容性好；且制备方法简单，是一种较为理想的牙科种植体材料。

High strength and low elastic modulus zirconium niobium titanium dental implant material and preparation method thereof

The invention relates to a zirconium, niobium, titanium dental implant material with high compressive strength and low modulus of elasticity and its preparation method. The zirconium niobium and titanium dental implant material has lamellar and needle like precipitates during the sintering process, which is beneficial to the good mechanical properties and biological phase of the zirconium, niobium and titanium alloy. The preparation method includes the following steps: mixing the zirconium, niobium and titanium powder in a certain proportion and compacting the forming by powder metallurgy. In the protection atmosphere, the temperature is raised to 950 degrees centigrade for heat preservation. Finally, the vacuum sintering is carried out at 1400~1600 centigrade to obtain a comprehensive and high comprehensive dental implant material. The relative density of the zirconium and niobium titanium alloy above is above 90%, the compressive strength changes within the range of 1100 ~ 1289MPa, the modulus of elasticity changes in the range of 32 ~ 41GPa. Under the condition of guaranteeing the strength, the modulus of elasticity is low, the mechanical compatibility of the human body and the mandible is good, and the biocompatibility of the oral epithelium and the fibrous tissue is good; and the preparation party is prepared. The method is simple and is an ideal dental implant material.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度低弹性模量锆铌钛牙科种植体材料及其制备方法
本专利技术属于医用复合材料中的医用口腔材料
，具体涉及一种高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料及其制备方法。
技术介绍
生物材料中的生物医用复合材料主要用于替代受损或缺失的人体组织结构，达到修复组织外形和性能的目的。此材料在植入过程需要考虑生物相容性的问题，其中力学相容性要求植入的材料具有的力学性能与人体组织相适应或相匹配。强度过低导致材料发生断裂失稳，过高会对周围组织产生破坏行为，使材料植入部位长期难以愈合，即“应力屏蔽”效应。牙科种植体材料还可称为人工牙根，是通过外科手术的方式将其植入人体缺牙部位的上下颌骨内，待其手术伤口愈合后，在其上部安装修复假牙的装置。医用牙科低弹模植入材料具有治疗牙科组织创伤和坏死等重要而特殊的用途，作为硬组织植入材料，除了具备良好的生物相容性(无细胞毒性)和力学性能(耐磨性、抗弯强度和抗压强度)之外，还必须具有良好的生物力学相容性(弹性模量)。金属铌具有良好的耐磨、耐腐蚀性能，且是一种无毒元素、对机体组织无刺激，此外，铌是典型的β相稳定元素，能有效地降低合金的弹性模量，是一种理想的人体组织替代材料。金属锆是一种无毒的合金元素，Brailovski等的研究表明：锆的添加能有效地提高合金的强度、耐腐蚀性能以及促进固溶强化。现有PaulS、Nnamchi等发现，与纯钛相比，锆铌钛合金具有良好的延展性、耐磨性、较低的磁化率以及可协调的弹性模量等优点，更适合于医学材料，特别是口腔种植体材料开发。而LiuQing等的研究表明，纯铌密度较大，使得植入材料的使用范围受限。目前还没有明确的用于牙科的锆铌钛种植体材料，且现有锆铌钛种植体材料的制备方法是铸造和SPS烧结(快速等离子烧结)。因此，探索出一种低成本、低弹性模量和轻质的种植体材料成为提高口腔种植体材料适用范围的关键。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的不足，提供一种高强度、低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料及其制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：所述高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料中锆、铌和钛的原子比为(1:5:8)至(4:5:2)。优选地，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆粉末的粒径为1～30μm，铌粉末的粒径为1～30μm，钛粉末的粒径均为1～30μm。优选地，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆粉末的粒径为1～14μm，铌粉末的粒径为1～24μm，钛粉末的粒径为1～16μm。优选地，所述锆铌钛牙科种植体材料的抗压强度为1110～1289MPa，弹性模量为32～41GPa，相对密度为90％～95％。上述高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料的制备方法包括如下步骤：(1)将锆粉末、铌粉、钛粉末混合后进行球磨，得到锆铌钛复合粉末；(2)将锆铌钛复合粉末进行压制成型，得到成型后的样品；所述压制过程中的压力为250～350Mpa；(3)将成型后的样品进行真空烧结后得到高强度低弹性模量的锆钛铌牙科种植体材料。优选地，步骤(1)所述球磨的时间为4～6h，球料比为2:1。更优选地，步骤(1)所述球磨的时间为5h。优选地，步骤(2)所述压制过程中的压力为300Mpa。优选地，步骤(3)所述的真空烧结采用两段法：第一段烧结时将温度从室温(25℃左右)以5～8℃/min的速率升到900～1100℃，保温0.5～1.5h；第二段烧结时以8～10℃/min的速率将温度升至1400～1600℃，保温2～3h；真空烧结过程中烧结时和保温时的真空度≤10-2Pa。优选地，所述真空烧结过程中烧结时和保温时的真空度为10-4～10-3Pa。下面对烧结过程中的要求做进一步说明：将样品放入坩埚内，并用一定粒度的氧化锆粉末将样品在坩埚内固定，然后将粉末填充在样品间隙以防止多个样品在烧结过程中粘结，最后将粉末覆盖在样品表面，以使样品受热均匀，减轻氧化程度。将坩埚放入真空炉内进行烧结，将真空炉的真空度抽到10-4～10-3Pa。然后将真空炉内的温度从室温以6℃/min的速率升到900～1100℃，保温0.5～1.5h；再以8～10℃/min的速率将温度升至1400～1600℃，保温2～3h后，烧结结束，随炉冷却。烧结过程中采用多阶段升温速率，前段较低的升温速率可以较慢地提升温度，促使锆粉末、铌粉末以及钛粉末烧结在一起的同时使少量杂质以CO2和H2O的形式散出，从而使得碳、氧等杂质排除较为彻底，促进锆铌钛合金的充分烧结；后段较高的升温速率，可以提高烧结效率与降低能耗；保温过程有助于锆铌钛合金的组织均匀化，使锆铌钛合金烧结完全。随炉冷却过程有助于晶粒的均匀化，并且减少烧结过后锆铌钛合金中的内应力。本专利技术利用钛的低熔点和高温活性促进铌粉和锆粉颗粒的烧结，解决了传统粉末冶金烧结法难以制备较低弹性模量的锆铌钛合金的问题。此外，钛金属的加入能够在保证适当强度的基础上大幅降低植入材料的弹性模量，且锆和铌以及钛的质量比优选为4:5：1～1：5:4，采用该质量比，能够有效的降低锆铌钛合金的烧结温度与制造成本，同时保证其良好的力学性能、生物相容性以及抗腐蚀性能。锆粉末和铌粉末以及钛粉末的粒径优选均为1～30μm。该粉末粒径范围的锆粉末和铌粉末以及钛粉末具有适当流动性的和压制性，在不加入成形剂的情况下即可压制成型。在烧结过程中晶粒长大程度合适，便于锆和钛在铌中的层片和针状析出，这种组织有利于锆铌钛合金获得良好的力学性能与生物相容性能。锆粉末和铌粉末以及钛粉末的纯度要求高，优选为99.9％以上，其中氧含量小于0.3％，碳含量小于0.02％，可使制得的锆铌钛合金成分均匀，相对密度较高，无杂质相生成。控制氧含量和碳含量，可避免引入杂质损害锆铌钛合金的生物相容性和力学性能。本专利技术所述高强度低弹性模量锆铌钛合金，具有较高的相对密度，并能够在保证适当强度的基础上降低材料弹性模量，使弹性模量与人颌骨接近，以提高力学相容性、减轻甚至避免应力遮蔽效应。本专利技术所述高强度低弹性模量锆铌钛合金的制备方法，利用粉末冶金烧，结能减少铸造法制备过程中出现的偏析和晶粒粗大等问题，而且铌的熔点较高，钛的熔点较低，用粉末冶金方法制备更有利于难熔金属的制备，而且粉末冶金产品通常是不致密的，一定的空隙度有利于细胞的生长。制备工艺简单，设备简单，能耗较低，原材料利用率高，牙科种植体锆铌钛合金的弹性模量易于调节。附图说明图1：实施例2、3和4制备的高强度低弹性模量锆铌钛合金材料的X射线衍射图谱；图2：实施例2制备的高强度比弹性模量锆铌钛合金材料的表面形貌扫描电镜图；图3：实施例2、3和4制备的高强度比弹性模量锆铌钛合金材料的抗压曲线图。具体实施方式实施例1所述高强度低弹模锆铌钛牙科种植体材料中锆、铌以及钛的原子比为(1:5:8)至(4:5:2)。其中，所述高强度低弹模锆铌钛牙科种植体材料中锆粉末的粒径为1～14μm，铌粉末的粒径为1～25μm，钛粉末的粒径为1～16μm。所述高强度低弹模锆铌钛牙科种植体材料的抗压强度为1111～1280MPa，弹性模量为32～41GPa，相对密度为90％～95％。实施例2实施例1所述高强度低弹模锆铌钛牙科种植体材料的方法包括如下步骤：1、按照锆粉末和铌粉末以及钛粉末原子比5:8:6的比例，用天平分别称量46.973g锆粉末和7本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度低弹性模量的锆钛铌牙科种植体材料，其特征在于，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆、铌和钛的原子比为(1:5:8)至(4:5:2)。

【技术特征摘要】
1.一种高强度低弹性模量的锆钛铌牙科种植体材料，其特征在于，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆、铌和钛的原子比为(1:5:8)至(4:5:2)。2.如权利要求1所述的高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料，其特征在于，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆粉末的粒径为1～30μm，铌粉末的粒径为1～30μm，钛粉末的粒径均为1～30μm。3.如权利要求2所述的高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料，其特征在于，所述锆铌钛牙科种植体材料中锆粉末的粒径为1～14μm，铌粉末的粒径为1～24μm，钛粉末的粒径为1～16μm。4.如权利要求1所述的高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料，其特征在于，所述锆铌钛牙科种植体材料的抗压强度为1110～1289MPa，弹性模量为32～41GPa，相对密度为90％～95％。5.如权利要求1至4任一项所述高强度低弹性模量的锆铌钛牙科种植体材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将锆粉末、铌粉、钛粉末混合后进行球磨，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮建明，张桃梅，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43