CN102690967A - 一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，包括以下步骤：一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按一定质量比混合均匀，得到坯料；二、将坯料加入擦筛机中擦筛，得到粒料；三、将粒料离心球磨，干燥后得到团粒；四、将团粒进行筛分；五、将筛分后的团粒在真空条件下松装烧结，得到具有双峰孔结构的医用多孔金属材料。本发明制备工艺简单，生产成本低廉，对生产设备的要求较低，适于大规模工业化生产；利用本发明制备的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料具有良好的生物相容性和骨诱导性，其孔隙率和力学性能与人体骨相匹配，能够替代人体受损的组织结构，是较为理想的医用植入材料。

Description

一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法
技术领域
本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法。
背景技术
在医学发达的今天，将人工关节、骨创伤螺钉、脊柱矫形内固定物等医用材料植入人体内替代受损的组织结构，已经应用得越来越广泛。由于这些植入材料直接与人体组织或体液接触，因此其必须具有良好的生物相容性和骨诱导性；除此之外，植入材料还必须具备与人体骨相似的孔隙率和力学性能，以利于成骨细胞在植入材料的表面和孔隙内进行粘附、分化和生长，最终形成植入材料与人体骨之间的机械锁合。多孔金属材料因其连通的多孔结构和优良的生物相容性，兼具金属材料的优良的力学性能和加工成型性能，已经成为植入材料领域研究的热点。
多孔金属材料自身独特的多孔结构极大地提高了其生物相容性，有利于成骨细胞在多孔金属材料的表面和孔隙中进行粘附、分化和生长，加强多孔金属材料与人体骨的连接，最终实现生物固定；其次，多孔金属材料的密度、强度和杨氏弹性模量均可以通过对其孔隙率的调整与人体骨相匹配，使多孔金属材料能有效减弱或消除应力屏蔽效应，避免植入材料周围的骨坏死、发生新骨畸变等状况；同时，开放的多孔结构有利于组织和体液中的水分和营养物质在植入材料孔隙内的传输，促进受损组织细胞的再生与修复，加快痊愈过程。
现有的多孔金属材料的制备方法主要包括松装烧结法(Loose PackSintering Method)、浆料发泡法(Slurry Foaming Method)、空间占位法(Space Holder Method)、电子束快速成形法(Electron Beam MeltingMethod)、气相沉积法(Vapor Deposition Method)、固-气共晶定向凝固法(Metal/Gas Eutectic Unidirectional Solidification Method)等。
松装烧结法(Loose Pack Sintering Method)主要通过各粉体在烧结过程中的相互粘接作用制成多孔材料。但是该方法制备的多孔金属材料的孔隙率低，并且其孔隙率和孔径分布均不可控，易出现烧结缺陷。
浆料发泡法(Slurry Foaming Method)先将金属粉末、发泡剂和有机物混合为料浆，然后经过加热、发泡等工艺得到固体多孔材料。该方法操作简便，制备的多孔金属材料具有较高的孔隙率，但是其孔径分布不均匀，导致固体多孔材料的强度和精度较低。
空间占位法(Space Holder Method)先将金属粉末和造孔剂混合后压制成型，然后置于烘箱或真空电阻炉中预处理去除造孔剂，最后进行高温烧结。但是由于造孔剂通常选用碳酸氢铵、尿素等物质，不易完全去除，很可能会在多孔金属材料内遗留大量的碳元素，而将这种多孔金属材料植入人体后，人体将会发生明显的排斥反应，造成严重的后果。
电子束快速成形法(Electron Beam Melting Method)、气相沉积法(Vapor Deposition Method)、固-气共晶定向凝固法(Metal/Gas EutecticUnidirectional Solidification Method)等方法虽然能够制备出性能相对良好的多孔金属材料，但是这些方法对设备的要求严苛，生产成本高昂，生产效率低下，使其应用受到了很大限制。
大量研究表明：孔隙率为30％～80％，并且杨氏弹性模量与人体骨相匹配的多孔金属材料是较为理想的植入材料，才更加适于替代人体受损的组织结构。从临床医学的观点来看，理想的植入材料不仅应该具有与人体相匹配的力学性能、良好的生物相容性，同时还应该具有一定的骨诱导性。
文献1(H.P.Yuan，K.Kurashina，et al.A preliminary study on osteoinduction oftwo kinds of calcium phosphate ceramics.Biomaterials，1999，20：1799-1806.)和文献2(X.D.Zhang，H.P.Yuan，K.D.Groot.Calcium phosphate biomaterials with intrinsicosteoinductivity.Notebook of the 6th World Biomaterials Congress，Hawaii，May，2000)经研究发现，具有单峰孔结构即单一孔径分布的医用多孔金属材料不具有骨诱导性；只有双峰孔结构即孔径分布为双峰的医用多孔金属材料才具有骨诱导性。
然而，利用现有方法制备的医用多孔金属材料的孔径分布单一，不具备骨诱导性。截至目前，尚未发现有关具有双峰孔结构的医用多孔金属材料制备的研究见诸报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种制备工艺简单、生产成本低廉、对生产设备的要求较低、适于大规模工业化生产的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法。利用该方法制备的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料有良好的生物相容性和骨诱导性，其孔隙率和力学性能与人体骨相匹配，能够替代人体受损的组织结构，是较为理想的医用植入材料。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比8～12∶1投入混料机中混合20min～60min，得到坯料；
步骤二、将步骤一中所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为200rpm～500rpm的条件下离心球磨30s～120s，然后置于烘箱中干燥，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中真空烧结，自然冷却后得到具有双峰孔结构的医用多孔金属材料。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤一中所述金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤一中所述金属粉体的粒径为48μm～150μm。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤一中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％～6％。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤三中所述干燥的温度为40℃～80℃，干燥的时间为1h～3h。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤四中所述筛分的具体工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
上述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，步骤五中所述真空烧结的具体工艺为：将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为0.8×10-3Pa～1.5×10-3Pa的条件下松装烧结1h～4h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明制备工艺简单，生产成本低廉，对生产设备的要求较低，适于大规模工业化生产；
(2)本发明先将金属粉体与粘接剂混合均匀，再利用擦筛制粒和离心球磨的方法得到内部含有大量微孔的团粒，然后采用松装烧结工艺，依靠真空烧结作用使团粒间的空隙烧结为孔径约200μm的大孔，最终得到具有双峰孔结构的医用多孔金属材料；将本发明的医用多孔金属材料植入人体后，其独特的双峰孔结构能够极大地提高其生物相容性和骨诱导性，有利于成骨细胞在其表面和孔隙中进行粘附、分化和生长，从而加强与人体骨的连接，最终实现生物固定；同时连通的三维孔结构有利于人体组织和体液中的水分和营养物质在医用多孔金属材料孔隙内的传输，促进受损组织细胞的再生与修复，加快痊愈进程；
(3)本发明的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率为40％～70％，力学性能与人体骨相近；其密度、强度和杨氏弹性模量均可以通过对其孔隙率的调整与人体骨相匹配，使其具有良好的力学相容性，有效减弱或消除应力屏蔽效应，避免医用多孔金属材料周围的骨坏死、发生新骨畸变等状况。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图。
图2为本发明实施例1制备的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔径分布图。
图3为本发明实施例1制备的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的SEM照片。
具体实施方式
实施例1
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比8∶1投入混料机中混合20min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％；所述金属粉体的粒径为150μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为200rpm的条件下离心球磨120s，然后置于温度为40℃的烘箱中干燥3h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为0.8×10-3Pa的条件下松装烧结4h，自然冷却后得到具有双峰孔结构的医用多孔金属材料。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔径分布图如图1所示，图中明显有两个孔径分布的峰值，说明本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的SEM照片如图2所示，图中金属粉体聚结为近球形团粒，团粒内含有大量的微孔，同时团粒间存留有较大的孔隙，构成了连通的三维多孔结构，有利于人体组织和体液中的水分和营养物质在医用多孔金属材料孔隙内的传输，促进受损组织细胞的再生与修复，加快痊愈进程。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
实施例2
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比12∶1投入混料机中混合60min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为6％；所述金属粉体的粒径为48μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为500rpm的条件下离心球磨30s，然后置于温度为80℃的烘箱中干燥1h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为1.5×10-3Pa的条件下松装烧结1h，自然冷却后得到医用多孔金属材料。
本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
实施例3
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比9∶1投入混料机中混合30min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为2％；所述金属粉体的粒径为60μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为300rpm的条件下离心球磨100s，然后置于温度为50℃的烘箱中干燥2.5h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为0.9×10-3Pa的条件下松装烧结3h，自然冷却后得到医用多孔金属材料。
本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
实施例4
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比10∶1投入混料机中混合40min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为3％；所述金属粉体的粒径为800μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为250rpm的条件下离心球磨90s，然后置于温度为60℃的烘箱中干燥2h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为1.0×10-3Pa的条件下松装烧结2h，自然冷却后得到医用多孔金属材料。
本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
实施例5
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比11∶1投入混料机中混合50min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为5％；所述金属粉体的粒径为120μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为400rpm的条件下离心球磨50s，然后置于温度为70℃的烘箱中干燥1.5h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为1.4×10-3Pa的条件下松装烧结1.5h，自然冷却后得到医用多孔金属材料。
本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
实施例6
本实施例的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比12∶1投入混料机中混合30min，得到坯料；优选的金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉；所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为6％；所述金属粉体的粒径为150μm；
步骤二、所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为500rpm的条件下离心球磨30s，然后置于温度为80℃的烘箱中干燥1h，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；优选的筛分工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为1.5×10-3Pa的条件下松装烧结1h，自然冷却后得到医用多孔金属材料。
本实施例的医用多孔金属材料具有双峰孔结构，微孔的孔径多为20μm～40μm，大孔的孔径多为100μm～400μm。
本实施例的具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的孔隙率测试和力学性能测试见表1。
表1  本发明的医用多孔金属材料与人体骨力学性能的对比结果
由表1可以看出，本发明的医用多孔金属材料具有与人体骨相似的孔隙率和力学性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将金属粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比8～12∶1加入混料机中混合20min～60min，得到坯料；
步骤二、将步骤一中所述坯料放入擦筛机中擦筛，得到目数为30目～80目的粒料；
步骤三、将步骤二中所述粒料加入离心球磨机中，在转速为200rpm～500rpm的条件下离心球磨30s～120s，然后置于烘箱中干燥，得到团粒；
步骤四、将步骤三中所述团粒进行筛分；
步骤五、将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中真空烧结，自然冷却后得到具有双峰孔结构的医用多孔金属材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述金属粉体为钛粉、钽粉或不锈钢粉。
3.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述金属粉体的粒径为48μm～150μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述聚乙烯醇水溶液中聚乙烯醇的质量分数为1％～6％。
5.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述干燥的温度为40℃～80℃，干燥的时间为1h～3h。
6.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤四中所述筛分的具体工艺为：先将步骤三中所述团粒过20目筛，取筛下物再过80目筛，取过80目筛后的筛上物得到筛分后的团粒。
7.根据权利要求1所述的一种具有双峰孔结构的医用多孔金属材料的制备方法，其特征在于，步骤五中所述真空烧结的具体工艺为：将步骤四中筛分后的团粒置于烧结炉中，在真空度为0.8×10-3Pa～1.5×10-3Pa的条件下松装烧结1h～4h。
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