[发明专利]一种低弹性模量Ti‑Ta‑Ag生物材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ti-Ta-Ag生物材料及其制备方法，属于生物材料领域。

背景技术

自上世纪40年代以来，生物医用材料己成为各国竞相研究和开发的热点。目前有70-80％的生物医用材料为金属材料，其中Ti及Ti合金在硬组织修复与替换材料领域已逐渐占主要地位，成为首选的生物医用金属材料。

商业纯Ti目前已成功应用于人体作为骨修复、替换材料及齿科材料，但纯Ti存在弹性模量高、强度低等缺点。因此，一系列医用植入Ti合金得以开发并应用,目前广泛使用的有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb、Ti-Ni等合金。然而，近几年研究发现这几类Ti合金仍存在一定的问题：V和Al会导致神经障碍等疾病，并会导致植入材料附近组织发生微粒聚集等问题；Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb的弹性模量是人骨弹性模量的4～10倍，容易造成“应力屏蔽”，引起种植体松动或断裂；Ni元素也是颇具争议的有毒元素之一，存在潜在的致敏、致畸和致癌的毒副作用。因此，发展无Al、无V，同时具有低弹性模量、较高强度的新型生物Ti合金成为目前生物医用金属材料的重点发展方向之一。

基于以上研究，人们逐渐开发了Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Ag等二元系及以二元系为基础的多元系Ti合金。其中，Ti-Ta合金作为生物医用金属材料，在具备其它合金优异力学性能的同时，也具备较好的抗腐蚀性，而Ti-Ag中的Ag有利于提高Ti合金的抗腐蚀性和抗菌性。文献一发现在所研究的Ti-(10～70wt％Ta)合金中,Ti-25wt％Ta具有最低的弹性模量和最高的强度/弹性模量比，从力学相容性的角度出发，该合金最有可能应用于生物金属材料领域。文献二指出Ti-Ta合金的弹性模量与Ta含量、相组成、相结构密切相关。文献三中采用经球磨混合的Ti和Ag粉制备了多孔Ti-3Ag合金，发现添加Ag可以提高Ti合金的抗腐蚀性和抗菌性。文献一、二中均采用电弧熔炼制备Ti-Ta，但对于Ti-Ta合金，由于熔点(Ti:1668℃；Ta:3017℃)和密度(Ti:4.51g/cm3；Ta:16.6g/cm3)的差异较大，导致Ti-Ta合金的制备工艺复杂，费时较长。

根据相关文献，还未见用放电等离子体SPS烧结法制备Ti-Ta-Ag生物材料相关报道。基于此，本发明人提出了一种低弹性模量Ti-Ta-Ag生物材料及其制备方法。该钛合金弹性模量低、硬度高，在避免高弹性模量钛合金生物医用材料会发生“应力屏蔽”效应的同时，提高了材料的强度。同时，该合金的制备方法烧结周期短，能有效限制烧结过程中的晶粒长大、获得高质量的烧结体。该发明为生物医用领域Ti合金体系的微观结构与力学性能关系的研究提供参考数据，也为生物金属材料的发展提供新思路。

文献一Zhou Y.L.,Niinomi M.,Mater.Sci.Eng.C,2009(29):1061-1065.

文献二Zhou Y.L.,Niinomi M.,J.Alloys Comp.,2008(466):535-542.

文献三Hou L.G.,Li L.,Zheng Y.F.,Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2013(23)：1356-1366

发明内容

本发明的目的在于提供一种低弹性模量Ti-Ta-Ag合金生物材料及其制备方法，所述Ti-Ta-Ag合金，弹性模量低、硬度高，在避免高弹性模量钛合金生物医用材料会发生“应力屏蔽”效应的同时，提高了材料的强度。从而为无Al、无V，同时具有低弹性模量、较高强度的新型生物Ti合金发展提供了新思路。本发明的另一目的在于提供一种获得上述Ti-Ta-Ag合金生物材料的制备方法。

为实现第一目的，所述所述Ti-Ta-Ag合金成分为Ti含量70.5～74wt％，Ta含量25wt％，Ag含量1～4.5wt％。该合金的弹性模量在57～108GPa间,腐蚀电流密度在0.352～4.194μA/cm^-2间。且合金由Ti的α相、马氏体α＂相、β相，及Ag组成，其中Ag作为析出相存在。合金致密度达到理论密度的95～99.8％，维氏硬度为319～437HV。

本发明的另一目的是这样实现的，所述Ti-Ta-Ag合金采用SPS的方法制得，具体制备方法包括如下步骤：

(1)选择Ti、Ta、Ag粉末为原料，其中Ti粉平均粒径30～50μm，Ta粉平均粒径10～30μm，Ag粉平均粒径6～10μm，粉末纯度均≥99.9％。