[发明专利]一种制备开孔泡沫钛的方法

说明书

技术领域

本发明涉及泡沫钛材料技术领域，具体涉及一种制备开孔泡沫钛的方法。

背景技术

 近年来，骨缺损修复材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。传统的骨替代材料均采用致密的金属或合金，如钴镍合金、不锈钢、钛基合金等。相对于其它金属，钛合金作为骨替代材料得到了更为广阔的应用，这主要得益于其低的杨氏模量、耐腐蚀和良好的生物相容性。然而，与具有多孔结构的骨骼相比，致密的钛合金支架显然不利于新骨的长入和营养物质的输送，限制了其在人体内的使用寿命。与此同时，虽然可以通过调整合金成分来降低钛合金的力学性能特别是杨氏模量，但其最低的杨氏模量（55GPa） 还是高于骨的模量（松质骨：0.02-0.5 GPa，皮质骨：3-30GPa）。当植入体的模量高于骨的模量，将会导致应力遮挡现象的发生，使得植入体与骨的结合处发生松动，从而不利于植入体的固定甚至出现局部骨吸收现象。

令人欣慰的是，泡沫钛的出现为解决这个问题带来了曙光。这是因为，一方面多孔结构有利于新骨的长入和营养物质的输送，另一方面又可以通过改变孔结构来调整其力学性能，特别是与骨的模量相匹配。因此，泡沫钛应用于骨替代材料具有非常诱人的前景。

当前，泡沫钛的制备常采用著名的“造孔剂技术”，英文名为“space holder technique”。这种技术采用一种临时性材料作为造孔剂，如尿素、碳酸氢铵、镁、氯化钠、氟化钠、樟脑丸以及淀粉等。相对于其他造孔剂，尿素一方面容易脱除且脱除产生的气体不会污染环境，另一方面价格较为便宜且容易获取，这非常有利于节约资源和保护环境。因此，采用尿素作为造孔剂来制备泡沫钛受到了研究者的亲睐。例如，M.Bram曾第一次报道尿素作为造孔剂；W.Niu和M.Sharma分别采用球形状和针状来制备泡沫钛，后者还研究了尿素的形状和含量对泡沫钛结构和力学性能的影响；N.Tuncer研究了尿素颗粒的大小对泡沫钛结构和力学性能的影响；O.Smorygo将钛粉涂覆在球形尿素颗粒上，采用水解尿素的方式来进行泡沫钛的制备，等等。从前人的研究成果发现，尿素颗粒一般存在两种形状：近球形状和针状（不规则），前者粒径较大（毫米级）而后者粒径较小（微米级）。当采用球形状尿素作为造孔剂时，易制备闭孔结构泡沫钛，而（细小的）针状尿素（平均粒径分别为51μm至120μm则易形成开孔结构。然而，当M.Sharma采用粗大的（平均粒径为224μm）针状尿素，泡沫钛（孔隙率介于44-64%）几乎全部形成闭孔结构，且当造孔剂的含量超过60%（体积分数）时，生压坯在尿素的脱除过程易发生坍塌和断裂现象，最后产生的泡沫钛的出产率不足20%。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的一个技术问题是：如何改变现有制备破泡沫钛的工艺，使当造孔剂含量大于60%（体积分数）时，尽可能地提高泡沫钛的产出率。

本发明要解决的另一个技术问题是：如何改变现有制备破泡沫钛的工艺，使采用粗大的针状尿素作为造孔剂制备开孔泡沫钛。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种制备开孔泡沫钛的方法，包括如下步骤：

1）原料的混合，选取高纯钛粉和平均粒径为225-420μm的针状尿素在研体中混匀得到初步混物，其中针状尿素占初步混物的体积分数大于60 vol.%，其余为高纯钛粉； 

2）将步骤1）中得到的初步混物置于钢质磨具中在压机下压制成圆柱形生压坯，其中单向压力为150~300MPa，保压时间为45 s；

3）将步骤2）得到的生压坯进行两步热处理，首先对所述生压坯进行预加热，将生压

坯置于10^-1Pa~10^-2Pa的低真空状态的碳管炉内，当生压坯温度达到460℃以上时停炉冷却；其次，将经过预热的生压坯在高纯氩气保护气氛下于1250℃烧结2h，最后随炉冷却至室温即得开孔泡沫钛。

作为优化，步骤1）中所述的高纯钛粉其钛含量和氧含量分别为99.3%和0.5%。

作为优化，所述步骤1）中针状尿素的平均粒径为398 μm。

作为优化，所述步骤3）中的烧结温度为1250℃。

作为优化，所述步骤3）中对所述生压坯进行预加热分五个温度区间，第一个温度区间