[发明专利]激光原位强韧化镁基纳米复合材料骨植入体及其成形方法

说明书

本发明公开一种激光原位强韧化镁基纳米复合材料骨植入体及其成形方法，该骨植入体包括镁合金骨植入体基体，其内部分散有原位生成的具有协同强韧化功能的纳米TiN和BN陶瓷相。其成形方法包括如下步骤：称取医用镁合金粉末与纳米TiB₂粉末，在高纯氩气与氢气混合气氛下，混合球磨获得均匀分散的复合材料粉末；采用真空热压烧结工艺将复合材料粉末制成棒料；通过等离子旋转电极工艺将棒料制备成高球形度镁基纳米复合材料成形粉末；获取骨植入体三维模型，通过激光选区熔化工艺在高纯氩气及高纯氮气混合气氛下，将镁基纳米复合材料成形粉末成形得到原位纳米TiN、BN陶瓷相协同强韧化的镁基纳米复合材料骨植入体。该骨植入体具备优异的力学性能。

技术领域

本发明涉及一种复合材料骨植入体及成形方法，特别涉及一种激光原位强韧化镁基纳米复合材料骨植入体及其成形方法。

背景技术

在常见医用骨植入体材料中，陶瓷材料因脆性太强在体内冲击载荷情况下存在破坏的风险；高分子材料往往表现为强度、刚性、稳定性较低，难以满足植入体服役性能需求；金属材料由于具有良好的综合力学性能，在骨科、口腔修复和心血管治疗等领域一直有着广泛的应用。

镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素之一，能够激活多种酶，参与体内一系列代谢过程，促进钙的沉积，是骨生长的必需元素；镁合金的密度及弹性模量更接近于自然骨，可有效缓解应力遮挡效应，促进骨的生长和愈合并防止发生二次骨折；镁合金在人体内降解生成镁离子被周围机体组织吸收或通过体液排出体外，同时，在缓慢的降解过程中以点蚀的形式降解，有利于诱导骨细胞在其表面钙化，并有利于促进患处骨组织的愈合。相对于不锈钢、钴铬合金、钛合金而言，上述诸多优点促使镁及镁合金材料成为当前骨植入体材料领域的研究热点之一。

通常，植入物在暴露于具有较强侵蚀性的人体生理环境中须承载一定的载荷。如，人体髓关节植入物在人正常步态行走时，须承载约4倍于人体重的载荷，交互应力与侵蚀性生理环境的共同作用，极易引起植入物断裂失效。因此，镁及镁合金骨植入体的强度及韧性均需进一步提高。现有技术通过以下途径以提升医用镁合金的力学性能：

(1)元素合金化。加入合金化元素铝提高镁合金的力学性能及腐蚀性能，加入锌元素来细化镁合金凝固组织，进而增强细晶强化效应，一方面加入合金化元素对镁合金力学性能提升有限，同时合金化元素对人体产生不良反应，如引起的过敏、炎症等；

(2)表面改性。采用阳极氧化、微弧氧化等表面改性工艺在镁合金表面形成氧化膜，以提升镁合金的性能，但薄膜与基体结合强度有限，在人体内服役过程中，交互应力作用下极易脱落，进而恶化患者病情，即使采用微弧氧化工艺制备与基体产生冶金结合的陶瓷膜，但该微弧氧化膜层硬度较高，难以与人自然骨形成良好的力学匹配；

(3)热加工。通过热加工方法改善合金的显微组织，使杂质元素及第二相固溶到晶粒内部或分布更弥散，以提升镁合金的力学性能。

此外，人体骨骼的空间结构异常复杂，并因患者人群年龄、性别等不同而使其结构呈现较大差异，而传统铸造、锻造等工艺制造镁合金骨植入体的成本较高、制造周期长，难以满足人体骨植入体的个性化定制。

激光选区熔化技术作为一种基于增材原理的复杂金属构件的精密制造工艺，可实现复杂构件的精密制造。通常情况下，激光选区熔化技术涉及到高能激光束与镁合金粉体的瞬态交互作用，而镁合金电阻率低导致其对高能激光束的吸收率较低，这是制约镁合金材料进行激光选区熔化成形的首要问题。其次，镁合金的热导率高，激光选区熔化成形镁合金时须采用较高的激光功率将其熔化，但镁的氧化性强，在激光的高能量密度条件下，易被氧化和氮化，生成脆硬的氧化物、氮化物而影响加工区域的性能。同时，镁合金的熔点及沸点较低，在高功率作用下易发生元素的气化烧损而影响最终构件的化学成分、组织及性能。

鉴于此，实现高性能、复杂结构镁合金骨植入体的一体化制造是当前亟需解决的难题。

发明内容