具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼制造方法技术

一种具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼一次成型制造方法，属于生物工程技术领域。本发明专利技术通过在钛合金中添加Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｌａ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ其中之一或其中两个组合；通过添加Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｒ、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ、Ｃｏ－Ｃｕ－Ｓｎ、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ－Ｓｉ－Ｂ其中之一，然后制备骨状空腔的铸模，在真空中熔化合金，然后浇铸到具有骨状空腔的铸模中。本发明专利技术制造出具有中空结构的泡沫钛合金人造骨骼，比目前大多数泡沫生物钛材料都具有更高的力学性能，很好地模拟了自然骨骼的结构，它可提供骨髓或体液存在、流动的空间，使得骨髓骨液能够在人造骨骼中渗透和流动，有利于骨骼的愈合与组织再造，进一步改善植入后患病器官或肢体功能的恢复。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种生物工程
的方法，具体是一种。
技术介绍
金属生物材料中，第一代的不锈钢和第二代的钴铬或钴铬钼合金由于其弹性模量远比骨骼高，植入后不利于自然骨骼组织的再造和愈合，因此临床应用在逐步减少。生物钛合金与第一和第二代金属生物材料相比具有明显的优越性，例如，非常理想的生物兼容性、优秀的抗腐蚀性能、高的疲劳强度、低弹性模量，因此钛合金是长效或永久人体植入最理想的金属生物材料。虽然生物钛合金的弹性模量远低于第一和第二代金属生物材料，但与自然骨骼相比仍然太高(生物钛合金50～120GPa；骨头20～30GPa)，其中解决的一个途径是制备泡沫钛或泡沫钛合金，以获得低弹性模量、强度适中的金属生物材料。另一方面，泡沫金属材料不仅弹性模量与自然骨骼更加匹配，其中存在的泡沫孔隙对促进人体组织的愈合也有着重要的意义。如果进一步在泡沫结构的人造骨骼中制造出中心空洞，则贯通的孔洞能够提供骨髓或体液存在、流动的空间，有利于植入物与自然骨骼间的有效连接，激活骨细胞在植入物周围和内孔隙的正常生长，进一步改善植入后患病器官或肢体功能的恢复。经对现有技术的文献检索发现，没有中空结构的泡沫人造骨骼制造技术，只有传统的泡沫金属制造技术，按照其制造原理可以把传统的泡沫金属制造方法分为三类(1)粉末冶金方法制造泡沫金属，经过金属制粉、压制成型、烧结等工艺环节，优点是泡沫组织均匀、孔隙度容易调节，缺点是工艺复杂、成本高。例如C.E.Wen在《Scripta Materialia》(材料期刊)2001年第45卷第1147-1153页上发表的“Processing of biocompatible porous Ti and Mg”(生物兼容的泡沫钛和泡沫镁制造过程)，该文中采用粉末冶金方法制造泡沫钛和镁，具体方法为首先制备钛或镁粉末，然后制坯、压实，再真空中烧结，其不足在于工艺过程非常复杂，多道工序，制造成本高。(2)液态金属与气体物理混合方法制造泡沫金属，通过向液态金属中注入气体，冷却后形成泡沫金属，优点是工艺简单，缺点是气孔密度和均匀性不容易精确控制，对于注入液态金属的气体还应避免与金属发生反应。例如A.E.Simone在《ActaMaterialia》(材料期刊)1998年第46卷第3109-3123页上发表的“Aluminumfoams produced by liquid-state processes”(通过液态过程生产泡沫铝)，该文中采用向液态铝中吹气，然后冷却液态铝，使其凝固形成泡沫铝，其不足在于工艺过程控制困难，泡沫结构不均匀，并且不适合于液态粘度较高的合金泡沫材料的制备。(3)固-气相共晶凝固方法，该方法要求凝固的金属与气相存在共晶反应，因此具有很大的局限性。虽然采用传统方法制造的泡沫金属已经用于制造人造骨骼，但迄今为止还没有任何形式的中空结构的泡沫金属人造骨骼。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提供一种，使其制造具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼，其中的泡沫结构和骨骼中空结构都是在铸造过程中一次形成，不需要另外的机械加工，其中心空腔与泡沫结构中的空隙有很好的连通性，有利于体液或骨髓的渗透与流动，大大改进了人造骨骼的生物学特性。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术首先设计可以铸造出具有中空结构的钛合金成分，将设计的钛合金，按成分配比组合，在真空系统中加热熔化，然后浇铸在骨骼形状的铸模中，通过铸模自然冷却，使得液态合金凝固形成泡沫结构的凝固组织、并在骨状样品中心轴向形成空洞，从而在一次铸造凝固过程中获得具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼。本专利技术具体包括以下几个步骤①形成中空的泡沫钛合金的成分设计构造合金的两阶段(初始+共晶)顺序凝固，设计的合金两阶段凝固之间的温度差在500至2500度，利用初始凝固和共晶凝固两个阶段之间合金液相的冷却收缩，来形成骨状铸件的泡沫组织和中空结构。具体的方法是，通过在钛合金中添加难熔金属或稳定beta相金属，例如Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf，Y，La，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir其中之一或其中两个组合，使得合金在液相冷却过程中能够首先凝固析出高熔点的beta-Ti固溶体，并形成三维网状树枝结构；通过添加相对低熔点的金属或非金属组合，例如Cu-Ni-Zr、Cu-Ni-Sn、Co-Cu-Sn、Cu-Ni-Sn-Si-B等等，使得合金发生初始凝固后的剩余液相成分具有低熔点，以便分布在三维网状树枝结构中的剩余液相在发生共晶凝固之前，经历大的降温，从而产生大的冷却收缩，形成空洞，分散在三维网状树枝结构中的空洞构成泡沫钛合金的空隙率。进一步由于骨状铸模空腔形成的径向温度梯度，导致从外向内的顺序凝固，最终在骨状铸件中心形成空洞，从而达到制造具有中空结构泡沫钛合金人造骨骼的目的。概括以上描述的合金设计思路和方法，可以将形成中空的泡沫钛合金成分用以下形式表达(TiaMb)x(TicE1dE2eE3f)1-x其中(TiaMb)表示形成高熔点beta-Ti固溶体的成分单元，M表示难熔金属或稳定beta相的金属M可以是Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf，Y，La，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir其中之一或其中两者组合。(TicE1dE2eE3f)表示形成低熔点共晶成分的金属或非金属组合单元，其中E1可以是V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Pd，Ag，Pt，Au其中之一；E2可以是Al，Zn，Ga，Cd，In，Sn，Sb，Hg，Tl，Pb，Bi，Po其中之一；E3可以是Si，B，C，Be，Li，Sc，Mg其中之一。上式中的参数范围(原子百分数)，其中，a＝100-b，b＝5-50；c＝100-(d+e+f)，d＝0-20，e＝0-20，f＝0-10；x＝0.4-0.9，通过改变x可以调节泡沫钛合金的空隙率。②选用真空金属模铸造或其它真空精密铸造方法，制备骨状空腔的铸模。不同铸造方法可以提供的凝固冷却条件不同，可以导致不同空隙率的铸件。同时，不同的铸造方法所涉及的制造成本也不同，因此，对于本专利技术的实际生产应用，可以根据对人造骨骼泡沫结构的空隙率的要求以及制造成本的综合考虑，选择最佳的铸造方法。③将以上设计的泡沫钛合金按成分配制，在真空中熔化，然后浇铸到具有骨状空腔的铸模中。在凝固过程中，由于合金成分包含了高熔点的初始凝固相和低熔点的共晶凝固相，将首先形成三维网状树枝结构，并伴随着温度降低，网状树枝间的液相产生收缩，形成泡沫结构。由于铸件从表面到中心存在温度梯度，使得形成的三维网状树枝泡沫结构从铸件表面到中心存在顺序凝固，最后凝固的铸件中心由于无液态补缩，将在铸件中心形成贯通的空洞，从而形成具有中空结构的泡沫钛合金人造骨骼。为了对本专利技术的关键点有进一步的理解，以下对本专利技术的基本原理作更详细地描述，在泡沫钛合金成分设计时构造出两阶段凝固(即初始凝固+共晶凝固)，并且两次凝固的温度差在500-2500K范围，第一次凝固(初始凝固)的合金是以三维树枝状生长的bcc结构的beta-Ti固溶体，树枝之间相互连接，形成三维网状结构，在树枝间的剩余金属发生第二次凝固(共晶凝固)之前，产生液态收缩，从而在三维网状树枝结构之间形成收缩空洞，最终形成泡沫钛合金。三维网状树枝结构的形态以及尺度与合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼制造方法，其特征在于，包括以下三个步骤：①形成中空的泡沫钛合金的成分设计：构造合金的两阶段顺序凝固，设计的合金两阶段凝固之间的温度差在５００至２５００度，利用初始凝固和共晶凝固两个阶段之间合金 液相的冷却收缩，形成骨状铸件的泡沫组织和中空结构，具体的方法是：通过在钛合金中添加Ｎｂ，Ｔａ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｌａ，Ｔｃ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｒｅ，Ｏｓ，Ｉｒ其中之一或其中两个组合，使得合金在液相冷却过程中首先凝固析出高熔点的ｂｅｔａ－Ｔｉ固溶体，并形成三维网状树枝结构；通过添加Ｃｕ－Ｎｉ－Ｚｒ、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ、Ｃｏ－Ｃｕ－Ｓｎ、Ｃｕ－Ｎｉ－Ｓｎ－Ｓｉ－Ｂ中之一，使得合金发生初始凝固后的剩余液相成分具有低熔点，分布在三维网状树枝结构中的剩余液相在发生共晶凝固之前，经历大的降温，从而产生大的冷却收缩，形成空洞，分散在三维网状树枝结构中的空洞构成泡沫钛合金的空隙率，同时由于骨状铸模空腔形成的径向温度梯度，导致从外向内的顺序凝固，最终在骨状铸件中心形成空洞；②使用真空金属模铸造或者真空精密铸造方法，制备骨 状空腔的铸模；③将以上设计的泡沫钛合金按成分配制，在真空中熔化，然后浇铸到具有骨状空腔的铸模中。...

【技术特征摘要】
1.一种具有中空结构的泡沫生物钛合金人造骨骼制造方法，其特征在于，包括以下三个步骤①形成中空的泡沫钛合金的成分设计构造合金的两阶段顺序凝固，设计的合金两阶段凝固之间的温度差在500至2500度，利用初始凝固和共晶凝固两个阶段之间合金液相的冷却收缩，形成骨状铸件的泡沫组织和中空结构，具体的方法是通过在钛合金中添加Nb，Ta，Mo，W，Zr，Hf，Y，La，Tc，Ru，Rh，Re，Os，Ir其中之一或其中两个组合，使得合金在液相冷却过程中首先凝固析出高熔点的beta-Ti固溶体，并形成三维网状树枝结构；通过添加Cu-Ni-Zr、Cu-Ni-Sn、Co-Cu-Sn、Cu-Ni-Sn-Si-B中之一，使得合金发生初始凝固后的剩余液相成分具有低熔点，分布在三维网状树枝结构中的剩余液相在发生共晶凝固之前，经历大的降温，从而产生大的冷却收缩，形成空洞，分散在三维网状树枝结构中的空洞构成泡沫钛合金的空隙率，同时由于骨状铸模空腔形成的径向温度梯度，导致从外向内的顺序凝固，最终在骨状铸件中心形成空洞；②使用真空金属模铸造或者真空精密铸造方法，制备骨状空腔的铸模；③将以上设计的泡沫钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：何国，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]