[发明专利]一种多孔钛合金材料的制备方法

说明书

技术领域

一种多孔钛合金材料的制备方法，属于多孔材料的制备技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展及人均生活水平的提高，人类对医疗康复事业格外重视。生物医用材料及其制品的社会需求也越来越大。目前临床上广泛使用的骨折内固定器材多由不锈钢及钛合金制造。其中，在合金中，钛及钛合金材料具有重量轻、比强度高，较高的弹性模量。当把它直接作为植入体植入到机体中时，在外界应力的作用下，因植入体与机体之间的力学性能差别太大，则会影响机体组织的愈合。为了解决这一问题，人们做出了进一步的研究。

考虑到人骨的多孔特性，且多孔金属在强度、重量及弹性模量等方面具有最合理的组合，使其与人体硬组织更加匹配，避免产生应力屏蔽，使植入物的固定更加安全可靠，因此把医用钛合金材料制成多孔材料，使得钛合金材料表面有具有一定的孔隙率及孔径，有利于诱导骨组织的长入及便于生物体营养成分的传输，从而提高了医用金属材料的生物力学相容性和生物活性相容性，提高了机体组织的愈合能力。因此制备高强度，低弹性模量及高孔隙率的多孔钛合金成为当今医用材料研究的热点。

多孔结构的钛种植体为骨组织长入孔隙，实现生物固定创造了结构条件，但影响骨整合的因素较多，其中孔径、孔隙度、连通性等孔结构参数是影响骨整合的重要因素之一。许多学者研究了骨组织在具有不同孔径的多孔材料上的生长情况，并且一致认为最适宜骨长入的孔径为100-400μm。体外细胞试验发现三维多孔支架平均孔径大小影响细胞的增殖，而对增殖和基质矿化影响不大。大孔径的连通孔结构有利于骨组织的分化，而狭窄孔径的多孔钛妨碍组织分化。三维连通结构可以使得骨组织长入植入物的内部孔隙，从而使骨组织和植入物获得牢固的生理性骨骼固定。多孔钛的孔隙率在一定范围（30％-90％）内越高就越有利于组织的长入，但随着孔隙率的升高，多孔钛的力学性能锐减以至于无法满足硬组织替换材料的承力需求，因此多孔钛的难题就在于制备高强度高孔隙率的多孔钛。

多孔钛合金材料的制备方法很多，主要有粉末冶金、注射成形、浆料发泡法、钛珠钎焊、凝胶注模、快速成形法和钛丝缠绕法等方法。其中，粉末冶金压制法制备多孔金属材料的生产工艺简单、成本低并且能够得到组织结构均匀的多孔金属材料，但是难以获得复杂形状制件，孔隙度较低，并且模具成本较高、小规模生产成本高；浆料发泡法可获得较高孔隙度，缺点是难于控制气泡大小，故难以获得孔径分布均匀的多孔材料，并且难以获得复杂形状。凝胶注模成型技术的特点之一是可以通过改变料浆的固相含量来控制材料的孔隙度和力学性能，容易获得复杂形状、大尺寸制件，并且模具成本低廉。因此，将凝胶注模成型技术应用于多孔钛材料的成型，可以实现高孔隙度、高开孔率、孔洞宏观分布均匀的复杂形状大件医用多孔钛植入材料的生产。对水基丙烯酰胺体系凝胶注模成型多孔钛材料的关键工艺进行了研究，最终通过控制凝胶注模成型及烧结各项工艺参数，制得孔隙、力学性能与自然骨基本匹配的复杂形状多孔钛材料。

申请号为200610046258.0的 发明专利公布了一种涉及医用多孔钛植入体和以钛丝或钛合金制备生物医用多孔钛植入体方法，其孔结构完全为开孔结构，孔隙度为大于40%最大可以达到80%。梁芳慧等采用钛珠钎焊法制备了钛合金钎焊表面三维连通多孔层，其孔径均大于100μm最大可达300μm能够满足骨细胞长入的要求。李艳等采用凝胶注模成形工艺制备了大尺寸、复杂形状医用三维连通多孔钛植入材料，孔隙度为46.5％、开孔隙度为40.7％，抗压强度为158.6MPa、弹性模量为8.5GPa，与自然骨基本匹配，适合作为人造骨替代材料。Marco A采用快速成形工艺制备了三维连通孔径为600μm的多孔钛合金。这种多孔钛合金有助于骨生长。但这种材料的力学性能是否能满足人工关节的需要，还需进一步验证。

发明内容

本发明的目在于提供一种最新的生物医用多孔钛合金材料的制备方法；本发明根据需求通过早期的CAD设计步骤，控制孔隙分布、孔径大小，从而改善因孔隙数目、大小分布不均而引起多孔钛合金力学性能不稳定的问题；使其真正实现按需生产，合理利用，杜绝浪费。

本发明所述多孔钛合金材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）设计钛合金多孔结构的三维数字模型和浇注模具的三维数字模型，采用快速成形技术加工得到钛合金多孔结构的三维数字模具和浇注模具的三维数字模具，其中，多孔钛合金塑料模具的孔隙与孔隙之间的距离为0.5~5mm、孔径为0.1~1mm，孔隙率为20%~80%；浇注模具的三维数字模型尺寸结构如下：侧面壁厚为2~6mm，上下壁厚为2~4mm，浇注口直径Φ为0.8mm；