[发明专利]一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料、制备方法及应用，该方法首先利用激光选区熔化技术制备纯钛或钛合金基体板材，然后在该板上进行打孔，在孔中填充纯铝粉末，之后采用搅拌摩擦的方法进行加工，使铝粉和搅拌摩擦加工区域充分混合，最后对其进行酸洗或碱洗处理，清除铝颗粒团簇，形成多孔结构，获得表面与基体具有孔径梯度的钛基功能梯度材料。本发明利用搅拌摩擦加工技术，可以促使合金晶粒细化，降低材料的孔隙率，提高了材料的综合性能。该材料为粗糙多孔结构，且表层孔径与基体孔径不一致，可满足不同细胞的生长需求，有利于骨组织向植入体生长，具有非常好的临床应用价值。且制备工艺简单，成本低廉，有利于市场推广。

技术领域

本发明属于生物医用材料制备技术领域，具体涉及一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料、制备方法及应用。

背景技术

钛及其合金因为具有优良的耐蚀性能、力学性能和加工性能，并且价格比贵金属医用制品低廉，和普通金属材料相比具有良好的生物相容性，成为极具吸引力的生物医学金属材料。但大多数医用钛合金为生物惰性材料，不易于诱导周围组织细胞生长，且弹性模量远高于人体骨骼(10-30GPa)，会导致种植材料与周围骨骼不匹配，产生应力屏蔽效应，引起植入体松动或断裂，致使移植失效。因此，为了获得性能更加优良的钛及钛合金，人们一般通过保持其基体不变，对钛及钛合金材料表面进行改性，使得钛合金与生物体结合处性能更优异。

3D打印技术作为近年来快速兴起的增材制造技术，主要包括激光选区烧结技术和激光选区熔化技术。其突出优势在于：零件开发周期短，无需模具和复杂后处理工艺，可直接制成近终端甚至终端制件，成形精度高。利用该技术制备的具有微孔结构的钛材料，由于增加了细胞接触面积，有利于骨组织生长而受到广泛关注。

然而，3D打印技术制备的钛基体微观组织不均匀，甚至存在明显缺陷从而严重影响其力学性能。因此，亟需开发新的工艺来解决上述问题，制备出具有多孔结构的钛基功能材料，以实现在临床上的广泛应用。

发明内容

针对上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的在于，提供一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料、制备方法及应用，以解决现有技术制备出的钛基功能材料弹性模量高和塑性差的问题。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料的制备方法，用3D打印方法制备钛基板材；在所述的钛基板材上挖设腔槽，所述的腔槽内填充铝粉得到待加工板材；对所述的待加工板材进行搅拌摩擦加工，再进行酸洗处理即得；所述腔槽的深度为所述钛基板材厚度的1/5～1/2。

可选的，所述的3D打印方法为激光选区熔化；所述的钛基板材为纯钛基体板材或钛合金基体板材；纯钛基体板材或钛合金基体板材的厚度为3～5mm；所述的腔槽为圆形腔槽，腔槽深度为0.5～3mm，腔槽直径为0.5～2mm，腔槽间距1～5mm。

可选的，激光选区熔化过程中的铺粉层厚为30～60μm，激光功率为300～500W，扫描速率为800～2000m/s，扫描间距为0.08～0.15mm，所用的气体为氮气、氩气或氦气。

可选的，制备所述的钛基板材的原料为纯钛粉末或钛合金粉末，纯钛粉末或钛合金粉末为球形粉，粒径为5～60μm；所述的铝粉粒径分布范围为1～5μm，纯度大于等于99.9％。

可选的，所述的搅拌摩擦加工过程中的搅拌头旋转速度为200～1200rpm，前进速度为20～100mm/min，压下量为0.1～0.5mm。

可选的，所述的酸洗选用HCl溶液或H₂SO₄溶液，HCl溶液或H₂SO₄溶液的浓度0.5％～10％mol/L，酸洗时间为10～300s。

一种具有孔径梯度结构的钛基功能材料的制备方法，具体包括以下步骤：