一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料及制备方法技术

一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料及制备方法，以α

【技术实现步骤摘要】
一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及陶瓷材料制备
，具体涉及一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料及制备方法。

技术介绍

[0002]目前常用的人工髋关节植入物的材料包括不锈钢和钛合金等金属以及氧化铝和氧化锆等陶瓷材料。这些材料已得到广泛应用并表现出良好的临床性能。然而，常用的骨科材料都会存在一定的问题，对于金属植入物来说，金属髋关节植入物具有良好的机械强度和耐用性，但是摩擦产生的大量金属磨损颗粒，引起机体不适已经停止使用。陶瓷植入物如氧化铝和氧化锆，具有优异的耐磨性和生物相容性，但医用氧化铝陶瓷由于其韧性低，容易破碎，氧化锆陶瓷性能的老化会引起裂纹导致材料力学性能显著下降。
[0003]氮化硅具有高强度和韧性，能够承受髋关节的负载条件，不会产生严重磨损甚至锻炼；并且其摩擦系数较低表现出优异的耐磨性，减少磨屑的产生导致的不良反应的可能性。此外氮化硅具有优异的生物相容性以及成像性能，在X射线下半透明，有利于植入体后面骨解剖的成像，多孔氮化硅材料还能促进骨向植入物内的生长增强骨整合，提高种植体的稳定性。
[0004]但是，目前对于氮化硅多孔/致密复合结构的研究和实际应用较少，主要是受限于成型方式(3D打印技术)带来的成本问题，例如中国专利申请号CN201621027596.5中使用3D打印的生物复合人工髋关节以及中国专利申请号CN200910147194.7使用3D打印制备的植骨融合髋臼杯成本较高，并且表面孔隙的结构无法精准加工。因此需要引入新的成型工艺解决异型、个性化多孔/致密氮化硅陶瓷部件的成型和加工问题。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料及制备方法，以α
‑
Si3N4为原料，以Al2O3、Y2O3为烧结助剂，将直接凝固注模成型工艺与模板法结合起来，控制制备条件，造孔剂尺寸等可制备出形状复杂、孔隙率可控以及成分均匀的高性能多孔/致密氮化硅复合结构，大大降低了其生产成本；该材料由多孔氮化硅层和致密氮化硅层组成，多孔氮化硅层具有与骨组织相似的微观结构，有利于骨组织的生长和附着，致密氮化硅层具有高强度、高韧性、低磨损、良好的生物相容性等特点，有利于提高假体的稳定性和耐久性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料，其原料组分为：α
‑
Si3N4质量份数为54.1
‑
72.1份，烧结助剂Al2O3质量份数为1.6
‑
2.2份、烧结助剂Y2O3质量份数为4.1
‑
5.4份、四甲基氢氧化铵质量份数为0.22
‑
0.29份、异丁烯
‑
马来酸酐质量份数为0.05
‑
0.07份以及去离子水质量份数为39.9
‑
19.9份。
[0008]一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]步骤1：按照质量份数，称取α
‑
Si3N454.1
‑
72.1份，烧结助剂Al2O31.6
‑
2.2份、烧结助剂Y2O34.1
‑
5.4份，湿混后旋蒸烘干得到预混粉；
[0010]步骤2：将质量份数为39.9
‑
19.9份的去离子水、0.22
‑
0.29份的分散剂四甲基氢氧化铵TMAH、0.05
‑
0.07份的胶凝剂异丁烯
‑
马来酸酐Isobam搅拌混合5
‑
30min后，得到预混溶液；
[0011]步骤3：将步骤1中所得预混粉按照固含量60.0wt％
‑
80.0wt％所需要的比例加入步骤2所得到的预混液中，机械搅拌4
‑
10h得到60.0
‑
80.0wt％固含量的Si3N4浆料；
[0012]步骤4：将步骤3中所得的Si3N4浆料在室温下静置1
‑
5h；
[0013]步骤5：将步骤4中所得的Si3N4浆料真空脱泡30
‑
90min后，取出准备浇注；
[0014]步骤6：使用加热粘结的方法将聚苯乙烯EPS球粘合成多孔模板用于后续实验，加热温度为100
‑
150℃，保温时间为5
‑
60min；
[0015]步骤7：将步骤5中所得的浆料使用注射器辅助的方法，使其浇注到步骤6制备的多孔模板中，并保留5
‑
20mm浆料厚度当作致密层；
[0016]步骤8：将步骤7所得样品在室温下固化，采用保鲜膜进行密封处理防止由于水分损失引发的开裂，原位固化成型，再将样品放于60
‑
80℃烘箱中干燥12
‑
24h得到生坯；
[0017]步骤9：将步骤8后的生坯放入管式炉中进行碳化，通入流动的保护气体Ar，400
‑
800℃下保温1
‑
4h使生坯中的有机添加物裂解为碳，得到多孔/致密复合结构氮化硅陶瓷生坯；
[0018]步骤10：将步骤9得到的多孔/致密复合结构氮化硅陶瓷生坯放入空气炉中400
‑
800℃保温1
‑
4h烧结除去步骤9中生成的碳，避免引入碳杂质；
[0019]步骤11：将步骤10处理后的生坯放入真空烧结炉中，填充氮气N2，从室温升温至1700
‑
1900℃进行烧结，保温时间为1
‑
4h，得到用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料。
[0020]步骤1中所述α
‑
Si3N4的平均粒径1μm；湿混时间为2
‑
4h。
[0021]所述步骤3中，为使搅拌均匀将预混粉少量多次的加入预混液中。
[0022]所述步骤5中，采用真空脱泡外加磁力搅拌的方式确保浆料中空气完全排出。
[0023]所述步骤11中，N2压强为0.3
‑
0.5MPa，室温至1100℃的升温速率为5℃/min
‑
15℃/min，1100℃以上的升温速率为4℃/min
‑
6℃/min。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0025](1)、采用直接凝固注模成型技术，可以实现多孔/致密复合结构氮化硅材料的近净成形，保证固化干燥过程的低收缩，有利于避免浆料与模板之间收缩率差异导致的开裂现象，简化了制备工艺，降低了成本；
[0026](2)、采用模板法可实现孔隙率的可控调节，并且能改变孔径大小，这种可控的孔隙率能够更好地与周围骨组织融合，促进骨整合并增强种植体的长期稳定性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料，其特征在于，其原料组分为：α
‑
Si3N4质量份数为54.1
‑
72.1份，烧结助剂Al2O3质量份数为1.6
‑
2.2份、烧结助剂Y2O3质量份数为4.1
‑
5.4份、四甲基氢氧化铵质量份数为0.22
‑
0.29份、异丁烯
‑
马来酸酐质量份数为0.05
‑
0.07份以及去离子水质量份数为39.9
‑
19.9份。2.一种用于人工髋关节的多孔/致密复合结构氮化硅材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：按照质量份数，称取α
‑
Si3N454.1
‑
72.1份，烧结助剂Al2O31.6
‑
2.2份、烧结助剂Y2O34.1
‑
5.4份，湿混后旋蒸烘干得到预混粉；步骤2：将质量份数为39.9
‑
19.9份的去离子水、0.22
‑
0.29份的分散剂四甲基氢氧化铵TMAH、0.05
‑
0.07份的胶凝剂异丁烯
‑
马来酸酐Isobam，搅拌混合5
‑
30min后，得到预混溶液；步骤3：将步骤1中所得预混粉按照固含量60.0wt％
‑
80.0wt％所需要的比例加入步骤2所得到的预混液中，机械搅拌4
‑
10h得到60.0
‑
80.0wt％固含量的Si3N4浆料；步骤4：将步骤3中所得的Si3N4浆料在室温下静置1
‑
5h；步骤5：将步骤4中所得的Si3N4浆料真空脱泡30
‑
90min后，取出准备浇注；步骤6：使用加热粘结的方法将聚苯乙烯EPS球粘合成多孔模板用于后续实验，加热温度为100
‑
150℃，保温时间为5
‑
60min；...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨建锋，李凤，李加华，智强，王波，史忠旗，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：