[发明专利]一种双连通结构钛镁复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种双连通结构钛镁复合材料及其制备方法和应用，涉及生物医用金属材料制备技术领域，制备方法包括以下步骤：通过均匀化球磨使钛粉和镁粉混合均匀，得到钛镁复合材料粉末；对复合材料粉末干燥后进行预压定型，得到钛镁复合材料粗坯；对复合材料粗坯进行高温高压烧结，得到双连通结构钛镁复合材料。本发明工艺简单、流程短，采用的高温高压固相烧结工艺，解决了传统粉末冶金法存在的镁氧化烧损、分布不均匀等组织调控难题以及材料致密度低、力学性能差等烧结难题。本发明制备的双连通结构钛镁复合材料是集优异的力学性能、生物相容性、成骨诱导性与成骨整合性一体化的新型生物医用复合材料，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及生物医用金属材料技术领域，具体而言，尤其涉及一种双连通结构钛镁复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

钛及钛合金以其比强度高、生物相容性较好以及耐腐蚀性好等优点，在生物医用方面得到了广泛的应用并具有广阔的发展前景。然而钛及钛合金的弹性模量较高，远远大于人骨的弹性模量，引起严重的“应力屏蔽”效应，产生骨质疏松、植入体脱落等严重后果。另外，钛是生物惰性材料，成骨诱导性较差。

镁及镁合金的弹性模量为40～45GPa，是最接近人骨弹性模量的金属材料。而且镁是人体常量元素之一，是骨生长的必需元素。镁合金降解后产生的镁离子具有优异的成骨诱导性能。基于钛合金和镁合金各自的优缺点，国内外众多研究学者开展了大量钛镁复合材料(合金)的设计制备和生物性能研究。其中，具有双连通结构的钛镁复合材料尤其引人注目。一方面，双连通结构钛镁复合材料中镁含量一般较高，可以有效的降低钛合金弹性模量，大大减小“应力屏蔽”效应。另一方面，材料植入初期，镁降解后产生的镁离子具有优异的成骨诱导性能；植入后期，镁完全降解后形成多孔钛骨架，留下的连续孔道结构可成为养分运输以及组织生长的通道，使材料具有优异的骨整合性能。

对于Ti-Mg合金，由于钛与镁的理化性能差异太大(钛熔点1600℃以上、镁熔点约650℃、沸点约1100℃)，因此无法通过熔炼方法制备出钛镁复合材料。目前，可用的制备双连通结构钛镁复合材料方法是液态浸润和粉末冶金法。液态浸润法需要将预烧结的钛骨架浸润到熔化的镁合金液中，通过冷却得到双连通的钛镁复合材料，目前大多数双连通结构钛镁复合材料通过此法制备。但液态浸润法一般工艺技术复杂，设备环境要求高，或者制备的双连通复合材料的力学性能较低。如中国发明专利CN106670464B，公布了一种制备双连通网状结构钛-镁双金属复合材料的液态浸润法。该发明首先采用两次烧结法，对900℃初烧制备的预烧结体在高温1200℃长时间烧结3h，使得到的多孔钛预制体中钛颗粒间的结合强度和力学性能提高，压缩强度达到100～300MPa；然后将镁合金熔化，在超声波辅助下将镁合金液浸渗入多孔钛预制件中，冷却制备成双连通网状结构钛-镁双金属复合材料。可以看到，此工艺工序较多，同时烧结温度高、时间长，液态浸润镁的操作困难复杂。中国发明专利CN103599560B，报道了一种医用双连通钛/镁复合材料的液态浸润法。该发明采用医用级的钛丝或钛合金丝，用常规绕制或编织机械制备成三维贯通的多孔骨架，然后采用无压浸渗或负压吸铸将医用级的镁或镁合金熔液渗入该多孔骨架的孔隙中。该发明工艺相对简单，避免了钛骨架的高温烧结工序。但缠绕型多孔钛的弹性模量和强度较低，因此在材料植入后期，镁降解后留下的多孔钛结构无法满足对力学性能的要求。