CN103834894B - 一种在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法 - Google Patents
一种在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种在钛合金基体表面制备钛‑聚乙烯多孔钛涂层的方法，其特征在于步骤为：以聚乙烯粉末作为造孔剂，与钛粉进行混合得到钛‑聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯粉末的含量为10%～40%；对钛合金基体表面进行预处理，然后采用冷喷涂方法将上述钛‑聚乙烯混合粉末喷涂于钛合金基体表面；最后对喷涂所得的涂层进行真空烧结处理，除去涂层中的聚乙烯成分。本发明采用冷喷涂和高温烧结相结合的方法进行制备，制备工艺简单，生产周期短，且涂层性能好；所制备的多孔钛涂层具有完善的多孔结构和良好的生物力学相容性，有利于骨组织的生长，可以改善种植体和宿主骨界面的长期稳定性，将为现代医学的骨移植提供成熟的植入体支架制造技术。
Description
技术领域
本发明属于表面加工与改性技术领域，涉及一种在钛合金基体表面制备牙种植体以及骨移植体的制备工艺，尤其涉及一种在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法。
背景技术
目前用于骨组织修复与替代的材料主要有金属与合金、生物陶瓷、高分子聚合物、复合材料以及人和动物的骨骼衍生产品。鉴于骨与关节系统复杂的生物力学要求，所用的生物材料除了具有其他材料所具有的无毒副作用等生物安全性外，还必须有足够的机械强度并能与宿主骨牢固地结合。在此背景下，纯钛及其合金因其与骨相近似的弹性模量、良好的生物相容性、在生物环境下优良的抗腐蚀性以及较高的比强度等优点在临床上得到了越来越广泛的应用。特别是现在发展中的多孔钛因其具有相互贯通的开放孔结构和表面微孔、允许新骨细胞组织在其内部生长及体液的传输和很强的骨诱导等特点，作为组织长入植入体的支架，更有利于植入体与周围组织的铆合，避免了植入体的松动、植入体周围的骨坏死、发生新骨畸变等的发生，增强了种植体与宿主骨界面长期稳定性。因而将成为现代医学上很重要的生物相容性植入体支架材料，以取代常用的无孔的钛合金支架。迄今为止，多孔钛涂层制备方法主要包括粉末冶金法、发泡法、纤维烧结法、等离子喷涂法、自蔓延高温烧结法、凝胶注模成型法、快速成型技术以及激光打孔技术等方法。其中，利用粉末冶金法制备的多孔钛孔隙结构呈非球形，孔隙率低，连通性较差，因而不太适合医用。固态发泡法、等离子喷涂法、凝胶注模成型法和快速成型技术也面临这样的问题；激光打孔技术制备多孔支架具有很大的优势，但其多孔结构只有一层，不能实现多孔块体的制备；钛珠松装烧结法和钛纤维烧结法制备的多孔钛力学性能较高，具有良好的生物力学相容性，也具有能让骨组织长入的三维连通孔隙结构，但由于其孔壁上没有骨诱导性的微米级小孔而使骨修复速度大大减慢，限制了其进一步的应用。近年来，冷喷涂技术的成熟与应用为多孔钛涂层的制备提供了新的途径。中国专利200710017689.9报道了一种采用钛粉和镁粉混合利用冷喷涂技术和高温烧结技术制备多孔钛的方法，然而由于镁比较活泼，在喷涂过程中如果喷涂温度较高的话会造成很大的危险性，因此造成成形效率低的缺点，不利于进一步推广与应用。因此，不断开发新的多孔钛合金制备工艺来制备具有完善的多孔结构和良好的生物力学相容性的多孔钛涂层是生物医用多孔钛合金材料制备的发展方向。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、生产周期短且涂层性能好的在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法，利用冷喷涂和高温烧结相结合的工艺，制得的多孔钛涂层具有完善的多孔结构和良好的生物力学相容性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法，其特征在于步骤为：
1）以聚乙烯粉末作为造孔剂，与钛粉进行混合得到钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯粉末的含量为10%～40%；
2）对钛合金基体表面进行预处理，然后采用冷喷涂方法将上述钛-聚乙烯混合粉末喷涂于钛合金基体表面，冷喷涂工艺为：工作气体和送粉气体为N2，工作气体压力为2.5～3.5Mpa，工作气体温度为150～250℃，喷涂距离为20～30mm；
3）对喷涂所得的涂层进行真空烧结处理，除去涂层中的聚乙烯成分，烧结处理的工艺参数为：真空度为4.5~5.5×10-3Pa，烧结温度为800～1000℃，并在加热过程中进行温度梯度控制，烧结时间为1～4小时。
作为优选，所述聚乙烯粉末的粒度为150～300目、形状为球形或多角形，所述钛粉的粒度为325～400目。
最后，所述钛合金基体表面的预处理是指：先进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用冷喷涂和高温烧结相结合的方法进行制备，制备工艺简单，生产周期短，且涂层性能好；所制备的多孔钛涂层具有完善的多孔结构和良好的生物力学相容性，厚度大于0.2mm，呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在在80～400μm、30％～75％之间且独立可调，孔隙均匀性好，涂层与基体结合强度≥60Mpa。本发明所制备的涂层多孔状态有利于骨组织的生长，可以改善种植体和宿主骨界面的长期稳定性，将为现代医学的骨移植提供成熟的植入体支架制造技术。
附图说明
图1是本发明的制备过程中的烧结温度随时间变化示意图；
图2是经过高温烧结后多孔钛涂层SEM照片。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
（a）将粒度为150目的聚乙烯粉末与粒度为325目的钛粉末机械混合均匀，制成钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯粉末的含量为10%。
（b）对钛合金基体表面进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
（c）将（a）步骤配好的粉末进行喷涂，喷涂工艺为：工作气体压力为2.5MPa，工作气体温度为150℃，喷涂距离为20mm。
（d）将（c）步骤所得到的涂层进行真空烧结处理，真空度为5×10-3Pa，烧结温度为800℃，并进行温度梯度控制，将温度从室温升至700℃，保温10分钟，再以8℃/min的速度升温至800℃，烧结时间为80分钟，从而去除涂层中的聚乙烯成分。
该实例制备的样品性能测试结果
实施例2：
（a）将粒度为200目的聚乙烯粉末与粒度为325目的钛粉末机械混合均匀，制成钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯的含量为20%。
（b）对钛合金基体表面进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
（c）将（a）步骤配好的粉末进行喷涂，喷涂工艺为：工作气体压力为3.0MPa，工作气体温度为180℃，喷涂距离为22mm。
（d）将（c）步骤所得到的涂层进行真空烧结处理，真空度为5×10-3Pa，烧结温度为850℃，并进行温度梯度控制，将温度从室温升至650℃，保温15分钟，再以10℃/min的速度升温至850℃，烧结时间为2.5小时，从而去除涂层中的聚乙烯成分。
该实例制备的样品性能测试结果
实施例3：
（a）将粒度为250目的聚乙烯粉末与粒度为325目的钛粉末机械混合均匀，制成钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯的含量为30%。
（b）对钛合金基体表面进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
（c）将（a）步骤配好的粉末进行喷涂，喷涂工艺为：工作气体压力为3.25MPa，工作气体温度为200℃，喷涂距离为25mm。
（d）将（c）步骤所得到的涂层进行真空烧结处理，真空度为5×10-3Pa，烧结温度为900℃，并进行温度梯度控制，将温度从室温升至550℃，保温5分钟，再以15℃/min的速度升温至900℃，烧结时间为3小时，从而去除涂层中的聚乙烯成分。
该实例制备的样品性能测试结果
实施例4：
（a）将粒度为300目的聚乙烯粉末与粒度为325目的钛粉末机械混合均匀，制成钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯的含量为40%。
（b）对钛合金基体表面进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
（c）将（a）步骤配好的粉末进行喷涂，喷涂工艺为：工作气体压力为3.5MPa，工作气体温度为250℃，喷涂距离为30mm。
（d）将（c）步骤所得到的涂层进行真空烧结处理，真空度为5×10-3Pa，烧结温度为1000℃，并进行温度梯度控制，将温度从室温升至500℃，保温12分钟，再以20℃/min的速度升温至1000℃，烧结时间为1小时，从而去除涂层中的聚乙烯成分。
该实例制备的样品性能测试结果
从实施例数据中可以得出采用本发明的方法制备的多孔钛涂层，厚度大于0.2mm，呈开孔连通结构，孔径和孔隙率分别在80～400μm、30％～75％之间且独立可调，孔隙均匀性好，涂层与基体结合强度≥60MPa，弹性模量依据涂层孔隙结构在30～60GPa之间可调。
Claims (3)
1.一种在钛合金基体表面制备钛-聚乙烯多孔钛涂层的方法，其特征在于步骤为：
1)以聚乙烯粉末作为造孔剂，与钛粉进行混合得到钛-聚乙烯混合粉末，其中，聚乙烯粉末的质量含量为10％～40％；
2)对钛合金基体表面进行预处理，然后采用冷喷涂方法将上述钛-聚乙烯混合粉末喷涂于钛合金基体表面，冷喷涂工艺为：工作气体和送粉气体为N2，工作气体压力为2.5～3.5Mpa，工作气体温度为150～250℃，喷涂距离为20～30mm；
3)对喷涂所得的涂层进行真空烧结处理，除去涂层中的聚乙烯成分，烧结处理的工艺参数为：真空度为4.5～5.5×10-3Pa，烧结温度为800～1000℃，并在加热过程中进行温度梯度控制，将温度从室温升至500～700℃，保温5～15分钟，再以8～20℃/min速度升温至烧结温度，烧结时间为1～4小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述聚乙烯粉末的粒度为150～300目、形状为球形或多角形，所述钛粉的粒度为325～400目。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述钛合金基体表面的预处理是指：先进行平整化处理，并用砂纸和丙酮去掉表面锈迹和油污，然后对其进行喷砂粗化处理。
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