[发明专利]一种用于制备生物医用开孔泡沫锌材料的方法和装置

说明书

本发明涉及一种用于制备生物医用开孔泡沫锌材料的方法及装置，其方法包括如下步骤：首先将粒径均匀的球形氯化钙颗粒进行烧结，得到氯化钙预制体；将金属锌置于氯化钙预制体上，置于真空渗流装置中加热升温，同时开启真空泵和真空阀门抽真空；完全液封后，关闭真空泵和真空阀门；当达到渗流温度后保温，之后打开加压阀门进行渗流铸造，得到锌‑氯化钙复合体；待复合体凝固后，用水溶除去氯化钙颗粒，即得到开孔泡沫锌材料。该方法制备的开孔泡沫锌材料孔隙分布均匀，孔隙率可调，孔径尺寸及其分布可控，孔隙间贯通性好，同时可制备具有梯度结构的开孔泡沫锌材料，适用于骨组织工程支架材料。本发明的装置解决了现有装置渗流不足，渗流过度等技术问题。

技术领域

本发明属于生物医用材料制备技术领域，具体涉及一种用于制备生物医用开孔泡沫锌材料的方法和装置。

背景技术

医用金属材料作为人体硬组织修复及替换材料已得到广泛的应用。但是临床研究发现医用金属材料与骨的弹性模量不匹配，植入后产生“应力屏蔽”现象，导致植入体的松动或断裂。其次，尽管某些医用金属材料具有良好的生物相容性，但它们仍属于生物惰性材料，植入后难以与硬组织形成直接的结合，容易发生松动，导致植入失败。为了解决上述问题，学者们提出了在医用金属材料中引入孔隙的方法，将其制成多孔金属材料。孔隙的存在对材料的性能有以下几个方面的改善：多孔金属材料的密度、强度和弹性模量可以通过对孔径大小和孔隙率的调整来达到生物力学相容，从而可以减轻或消除应力遮挡现象；并且，特有的多孔结构及粗糙的内外表面有利于成骨细胞的黏附增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，使植入体同骨之间形成生物固定；另外，三维连通的孔结构能够使体液和营养物质在植入体中传输，促进组织再生与重建，加快愈合过程。

目前，可作为骨组织修复与替换的多孔金属材料主要有多孔Ti及Ti合金、多孔钽等。但人体对金属材料植入物的功能需求在一些情况下只是暂时的，例如骨科钢板、螺钉材料、血管支架等，往往需要行二次手术取出。此外，金属植入物长期存植入骨骼会产生应力遮挡效应，影响骨骼生长发育。鉴于上述原因，近年来，国内外研究人员对医用可降解金属材料进行研究和开发，目前对于可降解金属生物材料的研究主要集中在镁及镁合金，但镁在人体内降解速率较快，往往难以达到要求。与可降解镁合金体内降解机理类似，锌及锌合金在生物体内也可以降解，相对于镁及其合金而言，锌及锌合金降解速率相对缓慢，能在体内发挥足够长的时间，更适宜作为需要降解速率较低的骨组织工程支架材料，因而成为最近的研究热点，但是采用常规方法制备出的泡沫金属一般为多角形孔，孔的形状不规则，使其的使用受到限制。

对于多孔金属材料，制备方法决定了其多孔结构，进而影响了其他性能。烧结法广泛应用于多孔金属材料的制备，这种技术具有明显的缺点：孔结构贯通性较差；孔隙度普遍较低；材料尺寸和形状受到制备设备的限制。相比之下，渗流铸造法是通过对预制体的“反向复制”而得到所需的开孔泡沫金属，可以通过改变预制体制备工艺，实现对开孔泡沫金属孔洞的形状、尺寸及其分布的控制，制备工艺简便灵活，获得的多孔金属材料孔隙结构均匀，贯通性好。但是传统的渗流铸造法存在渗流不足、渗流过度和中间缺陷等固有的缺陷问题，并且通常选用工业盐氯化钠颗粒作为预制体烧结材料，最终获得的多孔金属材料孔隙为多角形，其内部结构非常复杂，性能的可再现性和可重复性不好；并且多孔金属材料孔隙的连通性不好，很容易形成闭孔缺陷，导致孔隙中的氯化钠颗粒无法溶解，长时间会对其产生严重的腐蚀，最终影响材料的质量。

此外，如何解决孔隙率与抗压强度等力学性能之间的矛盾已成为生物医用金属材料研究的重要方向。目前，解决这一矛盾的方法主要有两类，一类是通过改变其组成，如通过添加稀土来改善力学性能。另一类就是通过设计合理的几何结构，通过制备具有梯度结构的多孔金属来实现，如利用激光近形成形法制备具有梯度孔隙率的多孔钛来降低其刚度，使其达到与人类皮质骨相匹配的弹性模量。但其加工出来的孔横向贯通性较差，且孔壁不含微孔，不利于材料与骨组织的结合。也有学者通过定向冷冻铸造成形的方式来实现梯度结构，得到外部疏松，内部致密的梯度多孔钛，然而，该方法制备的多孔钛孔径太小，且工艺复杂，效率低下。

发明内容