CN103131883A - 一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，包括如下步骤：1）原料的混合：选取钛粉和造孔剂在研体中混匀得到初步混物，钛粉和造孔剂的质量分数比为67.2~72:28~32.8；2）将初步混物单向压制成生压坯，单向压力为150~300MPa，保压时间为1～2min；3）将生压坯置于真空碳管炉内，在1200~1300℃烧结2h造孔剂脱除，最后随炉冷却得到泡沫钛。该方法制备的泡沫钛抗压强度与人体皮质骨的抗压强度非常接近，具有非常长的使用寿命，其杨氏模量与人体皮质骨的杨氏模量相匹配，能有效地避免应力遮挡现象，实现了植入体的长久固定，此外，孔径尺寸介于皮质骨允许的范围内有利于新骨的长入和营养物质的输送。

Description

一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫钛材料技术领域，具体涉及一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法。

 

背景技术

近年来， 骨缺损修复材料成为临床需求量最大的生物医用材料之一。传统的骨替代材料均采用致密的金属或合金，如钴镍合金、不锈钢、钛基合金等。其中，钛及钛合金相对于其它金属植入材料得到了更为广阔的应用，这主要得益于钛及钛合金具有出色的力学性能、优良的耐蚀性、以及优越的生物相容性（生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能）。然而，与具有多孔结构的人骨相比，钛及钛合金作为植入材料面临着两个问题：（1）钛及钛合金的杨氏模量与骨的模量不匹配而产生应力遮挡现象（固定材料对骨骼生理应力的分流现象称为固定材料对骨骼的应力遮挡）；（2）致密的结构不利于骨组织的长入，降低了钛及钛合金植入材料的使用寿命。因此，融合了多孔结构和钛合金双重性能的泡沫钛合金作为骨替代材料引起了人们广泛的关注。

泡沫钛的制备常采用粉末冶金固态发泡法，即著名的添加造孔剂技术（space- holder technique）。一般选择在烧结前容易去除的物质作为造孔剂，如尿素、碳酸氢铵、氟化钠、聚碳酸酯、卫生球、氯化钠、淀粉、金属镁以及钢等。其中，尿素作为造孔剂具有价格便宜、低温下易于脱除等优点而受到研究人员的亲睐。M. Bram等人第一次采用粉末冶金添加尿素作为造孔剂技术制备出了孔径介于100-2500μm、孔隙率介于60-80%的泡沫钛，并研究了试样的孔的几何结构（形状和孔径分布）；后不断有人采用该方法制造出泡沫钛，并研究不同孔隙率泡沫钛的压缩行为，杨氏模量和相对密度的关系，能量吸收特性；造孔剂的尺寸、添加量对泡沫钛试样烧结前后的结构与力学性能的影响等，但对于采用尿素作为造孔剂来设计和制备出符合骨替代材料要求的泡沫钛至今仍鲜有研究。

 

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是：提供一种杨氏模量与骨的模量相匹配的，利于骨组织长入的用于皮质骨的泡沫钛制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，具

体包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和造孔剂在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的质量份数比为67.2~72:28~32.8；

      2）将所述初步混物采用万能材料实验机单向压制成生压坯，其中单向压力为150~300MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1200℃~1300℃烧结2h脱除造孔剂，最后随炉冷却得到泡沫钛。

 作为优化，所述步骤1）中的造孔剂是粒度为225-420μm的针状结晶尿素颗粒。选择这个粒度的尿素作为造孔剂是为了制备出来的泡沫钛的孔径介于100-500μm的范围，有利于新骨组织的长入，从而加强植入体与骨之间的连接。

所述步骤1）中钛粉和造孔剂的用量比为69.3：30.7。

所述步骤2）中单向压力为200MPa。这样做的是为了使得压制出来的生压坯具有一定的强度，避免尿素脱除后压坯坍塌。

所述步骤3）中烧结温度为1250℃，烧结时间为2h。选择这样的烧结温度和保温时间是为了使烧结过程尽可能的充分，钛粉之间完全粘接在一起。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明从仿生学的角度设计出了力学性能和孔结构均符合人体皮质骨相匹配的泡沫钛，制备出的泡沫钛杨氏模量与人体皮质骨的杨氏模量相匹配，从而有效地避免了应力遮挡现象，实现了植入体的长久固定。此外，孔径尺寸介于皮质骨允许的范围内有利于新骨的长入和营养物质的输送。

2、本发明制备出的泡沫钛抗压强度与人体皮质骨的抗压强度非常接近，因此该泡沫钛具有非常长的使用寿命

3、本发明采用的原料为钛粉，造孔剂为尿素，主要设备包括压制机、碳管炉，具有操作简单、容易实现的优点。

4、本发明使用尿素作为造孔剂，脱除后不污染环境，具有环境友好、价格便宜的优点。

5、本发明没有添加任何的粘接剂，避免了有毒物质的带入，无毒的植入体将更有吸引力。

 

附图说明

图1为原料的扫描电镜图片，其中图(a) 为钛粉的扫描电镜图片；图(b) 为尿素的扫描电镜图片。

图2为本发明方法中泡沫钛的制备过程的示意图。

图3为实施例1中初步混物压坯烧结前后的宏观照片。

图4为实施例1中生压坯中尿素脱除前后的微观形貌，其中，图(a) 为生压坯中尿素脱除前；图(b) 为生压坯中尿素脱除后。

图5为实施例1中生压坯烧结前后的扫描电镜图片，其中图(a) 为生压坯烧结前，图(b) 为生压坯烧结后。

图6 实施例1中泡沫钛的光学显微照片，其中图(a) 为泡沫钛在32倍下获得的显微组织照片，图(b) 为泡沫钛在250倍下获得的显微组织照片。

图7实施例1中泡沫钛的扫描电镜照片，其中图(a) 为泡沫钛在100倍下获得的微观形貌图，图(b) 为泡沫钛在500倍下获得的微观形貌图。

图8 实施例1中泡沫钛的应力-应变曲线图。

 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：参见图2，一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，:包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和粒度为225-420μm的针状结晶尿素颗粒研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的质量份数比为69.3：30.7；钛粉和尿素颗粒的微观形貌如图1所示。该钛粉可从市面直接购买，其表面以及不规则形状，一方面可以提高生压坯的强度，另一方面有利于促进烧结。

     2）将所述初步混物采用600KN万能材料实验机单向压制成生压坯，生压坯被压制成圆柱体形状，其中单向压力为200MPa，保压时间为1min；生压坯烧结前后的宏观形貌如图3所示。从图3中可以看出，生压坯经过烧结后体积发生了收缩，尺寸减小，其中，垂直于压制方向即横向尺寸变化较纵向变化明显。

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1250℃烧结2h造孔剂脱除，最后随炉冷却得到泡沫钛。生压坯中尿素脱除前后的微观形貌如图4所示。从图4中可以看出，钛粉和尿素经压制后紧密的结合在一起，可以有效地防止尿素脱除后压坯发生坍塌。图5显示的是生压坯烧结前后的扫描电镜图片。在图5（a）中，黑色孔洞代表的是针形状和大小，即烧结过程造孔剂的形状和大小几乎可以认为是不发生改变的。

图6显示的是泡沫钛的显微组织结构。其中，黑色代表的是孔洞，白色代表的是基体骨架钛。从图6（a）中可以看到，孔洞分布较均匀且形成连通型的，即使部分大孔洞没有连通也由于钛骨架上的小孔的存在而使大孔洞连通在一起，如图6（b）所示。此外，当孔隙率为56.8%时形成开孔型泡沫钛，符合孔隙率为50%是泡沫金属开孔和闭孔的分界点这一般规律。

图7显示的是泡沫钛在扫描电镜下获得的微观形貌图。从图7（a）中可以更加直观的看到，泡沫钛含有两个级别的孔洞，即宏观大孔（区域A）和骨架上的微观小孔（区域B）。其中，宏观大孔是由尿素脱除后留下的，而微观小孔则是钛粉的不完全烧结产生的。进一步观察可以发现，微观小孔的尺寸大多介于几微米到几十微米之间，如图7（b）所示。

图8显示的是泡沫钛的应力-应变曲线图。泡沫金属的力学性能主要有抗压强度和杨氏模量。据文献报道，人体皮质骨的抗压强度介于130-180MPa，杨氏模量为3-30GPa。本实施例制备出来的泡沫钛的抗压强度为126.6MPa，杨氏模量为3.9GPa。可以看出，泡沫钛的力学性能符合人体皮质骨力学性能的要求，特别是杨氏模量的匹配可以有效地避免应力遮挡的发生。此外，具有连通孔隙的泡沫钛植入材料有利于人体骨液和营养物质的运输。

本实施例制备出的开孔型泡沫钛其孔隙率为56.8%，其抗压强度和杨氏模量分别为126.6 MPa和3.9 GPa，力学性能符合人体皮质骨的要求，特别是杨氏模量的匹配可以有效地避免应力遮挡的发生；此外，连通孔隙还有利于人体骨液和营养物质的输送，使用寿命长。

实施例2：一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和尿素在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的用

量比为67.2:32.8；

     2）将所述初步混物采用600KN万能材料实验机单向压制成生压坯，生压坯被压制成圆柱体形状，其中单向压力为150MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1200℃烧结2h造孔剂脱除，最后随炉冷却得到泡沫钛。

实施例2中制备的泡沫钛其孔隙率为57.2%，其抗压强度和杨氏模量分别为126.3MPa和3.6 GPa。

实施例3：一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和尿素在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的用

量比为70.8:29.2；

     2）将所述初步混物采用600KN万能材料实验机单向压制成生压坯，生压坯被压制成圆柱体形状，其中单向压力为250MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，造孔剂脱除后在1300℃烧结2h，最后随炉冷却得到泡沫钛。

实施例3中制备的泡沫钛其孔隙率为55.9%，其抗压强度和杨氏模量分别为125.8MPa和4.1GPa。

实施例4：一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和尿素在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的用

量比为72:28；

     2）将所述初步混物采用600KN万能材料实验机单向压制成生压坯，生压坯被压制成圆柱体形状，其中单向压力为300MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1250℃烧结2h造孔剂脱除，最后随炉冷却得到泡沫钛。

实施例4中制备的泡沫钛其孔隙率为56.3%，其抗压强度和杨氏模量分别为126.1MPa和3.5GPa。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于皮质骨的泡沫钛制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）原料的混合：选取钛粉和造孔剂在研体中混匀得到初步混物，其中钛粉和造孔剂的质量份数比为67.2~72:28~32.8； 

      2）将所述初步混物采用万能材料实验机单向压制成生压坯，其中单向压力为150~300MPa，保压时间为1min；

3）将所述生压坯置于真空碳管炉内，在1200℃~1300℃烧结2h造孔剂脱除，最后随炉冷却得到泡沫钛。

2.如权利要求1所述的用于皮质骨的泡沫钛制备方法，其特征在于，所述步骤1）中的造孔剂是粒度为225-420μm的针状结晶尿素颗粒。

3.如权利要求1所述的用于皮质骨的泡沫钛制备方法，其特征在于，所述步骤1）中钛粉和造孔剂的用量比为69.3：30.7。

4.如权利要求1所述的用于皮质骨的泡沫钛制备方法，其特征在于，所述步骤2）中单向压力为200MPa。

5. 如权利要求1所述的用于皮质骨的泡沫钛制备方法，其特征在于，所述步骤3）中烧结温度为1250℃，烧结时间为2h。

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