CN101053672A - 中空纤维多孔生物钛材料的制备方法 - Google Patents
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一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，属于生物工程技术领域。本发明步骤为：(1)将钛或钛合金纤维缠绕在致密芯棒上，整形；(2)将表面缠绕钛或钛合金纤维的芯棒置入模具中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头进行压实，在负载压力下保荷，除去模具及芯棒，得到所需长度、孔隙率的中空多孔棒或柱状物；(3)将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空或氩气氛围下烧结，烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料。本发明方法简单，可得到任意长度与直径比的细长中空纤维多孔钛材，纤维分布均匀，经整形后，表面比较平整；中心空腔尺寸、孔径和孔隙度具有良好的可控性，且制造方法简单，速度快，成品率高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种生物工程技术领域的方法，具体涉及一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法。
背景技术
金属生物材料中，生物钛材由于具有理想的生物相容性、优秀的抗腐蚀性能、高的疲劳强度、低弹性模量，是长效或永久人体植入最理想的金属生物材料。然而，生物钛材的弹性模量与自然骨骼相比仍然较高，使得钛材作为骨架的支撑体，与骨架本体在受力条件下变形不协调，这导致前者容易脱离后者，不利于患者的康复。其中有效的解决途径之一是制备多孔钛或多孔钛合金，以获得低弹性模量、强度适中的金属生物材料。在一定孔隙率下，多孔钛的力学性能与自然骨相匹配，有利于解决或减轻植入体与骨的应力屏蔽，延长植入体的寿命。另一方面，多孔金属材料不仅弹性模量与自然骨骼更加匹配，其中存在的孔隙对促进人体组织的愈合也有着重要的意义。理想的骨修复材料在具有良好的生物相容性和骨传导性的同时，材料还应该具有在非骨环境下诱导成骨的能力，即骨诱导性。多孔结构是材料具有诱导性的必备条件。
若进一步在多孔结构的人造骨骼中制造出中心空洞，则贯通的孔洞能够提供骨髓或体液存在、流动的空间，加强植入体与自然骨骼间的有效连接，激活骨细胞在植入物周围和内孔隙的正常生长，即进一步促进骨整合。甚至可在此中空结构中填充骨蛋白(Bone Morphogenetic Proteins，缩写BMPs)或生物因子，从而促进骨组织再生和重建、改善植入后患病器官或肢体功能的恢复。
传统的多孔金属制造技术可分为以下三类：(1)液态金属与气体物理混合法制备多孔金属，通过向液态金属中注入气体，冷却后形成多孔金属，缺点是孔隙密度和均匀性不容易精确控制；不适合于液态粘度较高的合金泡沫材料的制备；对于注入液态金属的气体还应避免与金属发生反应。(2)固-气相共晶凝固方法，要求凝固的金属与气相存在共晶反应，且孔隙的数量、大小、形状和方向受到加入气体的量、压力、方向、热运动的速率以及合金化学成分的控制，因此具有很大的局限性。(3)粉末冶金方法制造多孔金属，经过金属制粉、压制成型、烧结等工艺环节，缺点是工艺复杂、成本高。
经对现有技术的文献检索发现，陈思杰等在《热加工工艺》2005年第5期第54-57页上发表的“泡沫铝的制备工艺、组织性能及应用前景”，该文中采用粉末冶金法制造泡沫铝材料，具体方法是：首先将铝粉或铝合金粉与少量的发泡剂混匀，其次将混匀的混合物压制成无残余通(开)孔的密实块体。压实后还要做进一步的加工，诸如轧制、模锻或挤压，以使其成为半成品。然后，将此种可发泡的半成品加热到接近或高于混合物熔点的高温。在加热过程中，发泡剂分解，释放出大量的气体(氢)，迫使致密的压实材料膨胀，形成多孔隙的泡沫材料。但工艺过程非常复杂，多道工序，制造成本较高。
生物力学性能是植入体的一项重要的性能，生物医用材料在需要低模量的同时还需要高强度，而为获得低弹性模量，传统的多孔金属制造技术多以牺牲强度为代价的。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，使其多孔结构和中空结构大大改进了人造骨骼的生物学特性，制造方法简单，速度快，成品率高，成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)将钛或钛合金纤维缠绕在致密芯棒上，整形。
所述钛或钛合金纤维的缠绕方式有随机缠绕、具有规则形状的缠绕；或者按照平纹或斜纹结构编织后在芯棒上进行压贴。
所述缠绕或压贴在芯棒上的钛或钛合金纤维的质量，根据需要而定，可以为20-30g。
(2)将表面缠绕钛或钛合金纤维的芯棒置入模具中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头进行压实，在负载压力下保荷，除去模具及芯棒，得到所需长度、孔隙率的中空多孔棒或柱状物。
所述模具和芯棒，应具有足够的力学强度和刚性以承受成型时的压力，模具和芯棒可由碳钢、不锈钢、合金钢、模具钢等制成，其尺寸大小根据需要而定。本发明中模具和芯棒由碳钢制成，其中模具内径为20mm，芯棒直径为8mm。
所述压力，其参数范围根据所需孔隙率、材料材质与规格尺寸而定，可以在0.3T-1.5T之间。
所述保荷时间为10-20秒钟，在此时间范围内保荷目的在于：以免坯体发生弹性形变恢复，降低或没有达到所需的效果。保荷时间小于10秒时，坯体也可能发生弹性形变恢复，而保荷时间达到20秒钟时，坯体基本上不再发生弹性形变，故无须继续延长保荷时间。
(3)将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空或氩气氛围下烧结，烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料。
所述烧结，烧结温度与时间参数根据所需孔隙率、材料材质而定，可以为：烧结温度范围1200-1300℃，烧结时间2-6小时。
本发明利用纤维制造多孔材料具有相当突出的优点：可以将孔隙度控制在更大的范围(-95％)，在最大的孔隙度下仍然保持了材料的结构性能。在相同的孔隙度下，强度的韧性比粉末冶金法高出几倍。可获得比粉末烧结更高的孔隙率；气孔全部为相互贯通的连通孔；多孔材料即使在高孔隙率的情况下，也很容易进行弯曲加工；具有良好的透过性；其渗透性要比粉末法制取的高几十倍；纤维多孔钛表面与粉未烧结多孔钛表面相比，具有良好的顺从性而使得骨与植入体表面的应力更低。此外，它还具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。例如：本发明制备的中空纤维多孔生物钛材，孔隙率52.0％，孔隙相互连通，抗压强度235.9MPa、抗弯强度179.0MPa、弹性模量4.118GPa。
本发明得到的中空纤维多孔生物钛材料主要用作人体骨骼移植和修复材料，例如人工股骨、人工膝关节等。作为植入修复材料，从材料结构角度讲：可得到任意长度与直径比的细长中空纤维多孔钛材，纤维分布均匀，经整形后，表面比较平整；且中心空腔尺寸、孔径和孔隙度具有良好的可控性；多孔结构和中空结构在模具中经压实后真空烧结形成，其中心空腔与泡沫结构中的空隙有很好的连通性，更形象地模拟了人体骨骼的结构，有利于体液或骨髓的渗透与流动。从力学性能角度讲：中空纤维多孔生物钛材料具有一定的机械强度能支持生理压力的需要；与人体骨骼相匹配的弹性模量能消除或减轻应力屏蔽。从生物医学角度讲：中空纤维多孔钛材更有利于成骨细胞粘附、分化和生长，促进骨的长入，加强植入体与骨之间的连接，实现生物固定；更有利于水分和养料在植入体内的传输，增强新骨的形成，加快痊愈过程。总之，中空纤维多孔生物钛材料在增加界面结合力，提高移植的成功率方面有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法流程图
图2为用本发明材料制成的人造骨骼的示意图，其中：(a)大腿骨，(b)模拟中空纤维多孔钛人造骨骼显微结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
将规格为φ0.08mm-φ0.3mm的钛或钛合金纤维随机缠绕或压贴在直径为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕/压贴20-30g钛或钛合金纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在0.3T-1.5T的压力范围内进行压实，在各负载压力下保荷10-20秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1200-1300℃，烧结时间：2-6小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料。
实施例1
将规格为φ0.08mm的TA9钛合金纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕20g钛合金纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.3T下进行压实，保荷10秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1200℃，烧结时间：6小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率76.6％，孔隙相连通性良好。
实施例2
将规格为φ0.08mm的TA9钛合金纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕20g钛合金纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.6T下进行压实，保荷15秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1250℃，烧结时间：3小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率47.3％。
实施例3
将规格为φ0.15mm的TA0纯钛纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕25g纯钛纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.6T下进行压实，保荷10秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1200℃，烧结时间：2小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率52.0％。
实施例4
将规格为φ0.15mm的TA0纯钛纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕25g纯钛纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.9T下进行压实，保荷20秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1300℃，烧结时间：4小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率32.8％。
实施例5
将20g规格为φ0.15mm的TA0纯钛纤维按照斜纹结构编织后压贴在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面贴有此纯钛纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.5T下进行压实，保荷10秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1200℃，烧结时间：3小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率54.1％。
实施例6
将规格为φ0.3mm的TA2纯钛纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕30g纯钛纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.9T下进行压实，保荷15秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1250℃，烧结时间：4小时。烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率56.7％。
实施例7
将规格为φ0.3mm的TA2纯钛纤维随机缠绕在直径约为8.0mm的致密芯棒上，整形。将表面缠绕30g纯钛纤维的芯棒置入内径为20mm的钢模中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头在压力为0.8T下进行压实，保荷20秒钟，除去模具及芯棒，将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空下烧结(真空度为2×10-3Pa)，烧结温度范围：1300℃，烧结时间：2小时。烧结后得到具有中空结构的中空纤维多孔生物钛材料，孔隙率49.4％。
Claims (7)
1、一种中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将钛或钛合金纤维缠绕在致密芯棒上，整形；
(2)将表面缠绕钛或钛合金纤维的芯棒置入模具中，采用内径等于致密芯棒直径的中空压头进行压实，在负载压力下保荷，除去模具及芯棒，得到所需长度、孔隙率的中空多孔棒或柱状物。
(3)将压实成坯体的多孔钛棒或柱状物置于真空或氩气氛围下烧结，烧结后得到中空纤维多孔生物钛材料。
2、根据权利要求1所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述钛或钛合金纤维的缠绕方式为：随机缠绕或者具有规则形状的缠绕，或者按照平纹或斜纹结构编织后在芯棒上进行压贴。
3、根据权利要求1或2所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述缠绕或压贴在芯棒上的钛或钛合金纤维的质量为20-30g。
4、根据权利要求1所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述模具和芯棒由碳钢制成，模具内径为20mm，芯棒直径为8mm。
5、根据权利要求1所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述压力范围为0.3T-1.5T。
6、根据权利要求1所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述保荷时间为10-20秒钟。
7、根据权利要求1所述的中空纤维多孔生物钛材料的制备方法，其特征是，所述烧结，其温度为1200-1300℃，时间为2-6小时。
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