CN104532058A

CN104532058A - 一种医用植入多孔钴钛合金材料及其制备方法

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Publication number: CN104532058A
Application number: CN201410768077.3A
Authority: CN
Inventors: 阮建明; 刘敏; 孙业熙
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: CN104532058B

Abstract

本发明涉及一种多孔钴钛合金材料及其制备方法，特别涉及一种医用植入多孔钴钛合金材料及其制备方法，属于医用多孔合金材料领域。本发明公开了一种医用植入多孔钴钛合金材料，所述多孔钴钛合金材料中钴与钛的原子数之比为1～8，弹性模量为1.8～5GPa，孔径为50～240 μm，孔隙度为30～70%，密度为2.5～4.5 g/cm³。发明还公开了上述多孔钴钛合金材料的制备方法。所述医用植入多孔钴钛合金材料的弹性模量更接近于人体骨骼的弹性模量，且制备方法中不掺加有毒物质。

Description

一种医用植入多孔钴钛合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔钴钛合金材料及其制备方法，特别涉及一种医用植入多孔钴钛合金材料及其制备方法，属于医用多孔合金材料领域。

背景技术

医用金属材料是医学上较为常用的人体植入承力材料，钴基金属材料是目前普遍认同的性能优异的一类医用植入材料。人体中的钴以维生素B₁₂的形式参与人体代谢活动，因此钴基金属材料表现出良好的生物相容性。同时，钴基金属具有较高的硬度和优异的耐磨损性能，因而其被视为人工关节理想的替代材料。

当前应用的医用钴基合金主要分为钴铬钼合金和钴镍铬钼合金，这两类合金密度大，且铬、镍离子对人体组织具有毒性和过敏反应，会诱导有机体突变或癌变。金属钛具有无毒、低密度、高强度及良好生物相容性等优点，钴钛合金既可保证钴基合金具有良好耐磨性能和力学强度，又降低了合金的生物毒性，可提高植入体的使用寿命。

同时，常见的医用钴基金属材料的弹性模量（210～253GPa）远高于人骨(松质骨0.01～2GPa，密质骨2～20GPa），植入物与骨之间难以实现适当的应力传递，产生应力屏蔽现象，从而在植入物周围出现骨变形，最终导致植入体松脱失效。多孔金属的开发可以有效的解决这一问题，多孔金属材料的密度、强度和弹性模量可以通过改变孔隙度来调整，多孔结构有利于成骨细胞的黏附生长，加强植入体与骨的连接，大大提高关节替代材料的使用寿命。因此，多孔钴钛合金成为新型的理想人工关节替代材料。

目前，国内对制备医用植入多孔钴钛合金材料的文献报道极少。文献“杨栋华,邵慧萍,郭志猛等.凝胶注模工艺制备医用多孔Ti-Co合金的性能[J].稀有金属材料与工程,2011,(10):1822-1826”公开了一种制备医用多孔钴钛合金的方法，即采用水基丙烯酰胺凝胶体系，将预混液与纯钛和钴包覆钛粉混合获得悬浮料浆，真空除泡后加入催化剂和引发剂，再注入模具，经固化、干燥、脱脂和烧结，最终制备多孔钴钛合金。该工艺使用的有机试剂丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，N,N,N’,N’–四甲基乙二胺等均具有高毒性，且工艺程序复杂、成本昂贵，难以保证添加剂的完全脱除，尤其是孔隙率、孔径大小、孔隙均匀性等孔隙特征无法控制，且弹性模量偏高（7～21 GPa），作为植入材料的安全性和稳定性很难保证。

发明内容

本发明解决的技术问题是，医用植入多孔钴钛合金材料的制备工艺中需使用有机溶剂，毒性较大；多孔材料中孔隙率、孔径大小、孔隙均匀性等孔隙特征难以控制；现有钴基合金材料的弹性模量偏高。

本发明的技术方案是，提供一种医用植入多孔钴钛合金材料，所述多孔钴钛合金材料中钴与钛的原子数之比为1～8，弹性模量为1.8～5 GPa，孔径为50～240 μm，孔隙度为30～70%，密度为2.5～4.5 g/cm³。

进一步地，所述多孔钴钛合金材料中钴与钛的原子数之比为2.8～4。

本发明进一步提供制备所述多孔钴钛合金材料的方法，依次包括以下步骤：

（1）按钴与钛的原子数之比1～8的钴粉与钛粉混合进行球磨，得到钴钛复合粉末；

（2）将所述钴钛复合粉末与造孔剂混合，得到混合粉末；

（3）将所述混合粉末在模具中压制成型，得到固体压坯；

（4）将所述固体压坯在真空烧结炉中进行真空烧结和真空退火，得到医用植入多孔钴钛合金材料。

进一步地，在所述球磨中加入无水乙醇作为球磨介质，然后真空干燥，得到钴钛复合粉末。

进一步地，所述钴粉的粒径为1～5 μm，钛粉的粒径为10～40 μm。

进一步地，所述造孔剂为NH₄HCO₃颗粒，粒径为100～300 μm；添加量为所述钴钛复合粉末质量的5～35%。

进一步地，所述真空烧结和真空退火的真空度均低于10^-2Pa。

进一步地，所述真空烧结分为两段，第一段，升温至200 ℃后保温0.5～2 h；第二段，升温至烧结温度850℃～1100℃后保温1～3 h。

进一步地，所述真空烧结中第一段的升温速率不高于3 ℃/min；第二段的升温速率为5～10℃/min。

进一步地，所述真空退火的温度为450～600 ℃，时间为1～4 h。

本发明使用钴粉和钛粉为原料，其中，以钴为基体，钴原子的含量多于钛原子，得到所述医用植入多孔钴钛合金材料。与现有多孔钛和多孔镍钛合金相比，此多孔钴钛合金中由于钴的存在而具有更为优异的耐磨性能，因此更适合作为人工关节替代材料。当钴原子与钛原子的数目之比超过8时，多孔钴钛合金的孔隙度偏低，细胞难以黏附和增殖。钴钛化合物中Co₂Ti为硬脆相，而CoTi和Co₃Ti在室温下呈延性，因而应控制多孔钴钛合金中Co₂Ti相的含量，因此当钴原子与钛原子的数目之比为1.8~2.2时，多孔钴钛合金呈脆断，而钴原子与钛原子比例为2.8~4时，多孔钴钛合金在室温下具有较好的延性。

本发明使用NH₄HCO₃为造孔剂，由于NH₄HCO₃受热极易分解，发生化学反应NH₄HCO₃→NH₃↑+H₂O↑+CO₂↑，在100℃以上分解产物全部以气体形式逸出，一方面造孔剂无毒且完全脱除而无杂质残留，保证了多孔钴钛材料成分的纯净性，最大程度上确保了材料的生物相容性；另一方面，NH₄HCO₃分解而在原位置留下孔隙，随着下一步烧结的进行，由于孔隙凹面表面张力和空位浓度梯度而导致的原子扩散迁移，使孔隙发生轻微收缩和圆化，由于孔隙形貌、数量与NH₄HCO₃的形貌、数量具有继承性，在一定范围内，NH₄HCO₃的特征与孔隙特征具有明显相关关系，因此可通过控制NH₄HCO₃的粒径、形貌和添加量等来达到控制多孔钴钛孔隙特征的目的。本发明还可以使用尿素等材料作为造孔剂，但是存在会存在残留，造孔效果不如NH₄HCO₃。

由于孔径尺寸、孔隙率和孔隙均匀性等孔隙特征可明显影响材料的力学性能，因此本专利可控制造孔剂NH₄HCO₃的特征来调控孔隙特征，进而调整材料的力学性能，尤其是弹性模量，使之达到与人骨力学性能相匹配的范围（松质骨0.01～2GPa，密质骨2～20GPa），使材料与人骨达到良好的载荷传递，减轻应力屏蔽问题，大大提高植入材料的使用寿命。

本发明制定了特殊的温度曲线即烧结机制，升温机制和高真空气氛可以保证NH₄HCO₃的均匀分解与完全脱除，高温烧结阶段，Co、Ti粉末颗粒间的发生搭接、扩散和烧结，颗粒之间产生孔径极小的孔隙（5μm以下），这些小孔有利于纤维结缔组织的连接，起到沟通主孔隙与周围环境之间桥梁的作用，可促进骨组织的长入，提高材料的生物相容性。材料最后进行真空退火，可以消除残余应力，提高材料的力学性能。真空烧结的真空度低于10^-2Pa，使得NH₄HCO₃的分解产物快速逸出。本发明中所述真空度即将密闭容器内的气体抽走后剩下气体的稀薄程度，亦即绝对压力。

本发明制备的多孔钴钛合金成分纯净，孔隙度在30%～70%，平均孔隙尺寸在50～240 μm之间，孔隙分布均匀呈三维形貌（见图1，图2），孔隙度与造孔剂含量呈线性关系（见图3），孔隙形貌可通过造孔剂特征和烧结温度进行调控（见图4），因此孔隙特征可控，弹性模量在1.8～5GPa（见图5），与人骨力学性能相匹配。

细胞实验显示，多孔钴钛合金表面的细胞出现明显的黏附和增殖，细胞开始伸出细小伪足与材料接触，且有铺展趋势（见图6），表明该法制备的多孔钴钛合金具有良好的细胞相容性。

将多孔钴钛合金植入实验兔体内12周后发现，骨质与材料结合紧密，咬除表面骨质后可见孔隙内同样被新生骨质填充（见图7），新生骨小梁结构清晰（见图8），表明该多孔钴钛合金具有较良好的组织相容性、骨传导性和骨整合能力。

本发明的有益效果是，可准确调控多孔钴钛合金的孔隙率、孔径大小、孔隙均匀性等孔隙特征；制备的多孔钴钛合金弹性模量低，与人骨力学性能相匹配，减轻应力屏蔽问题；经细胞黏附增殖实验和活体植入实验证明，该法制备的多孔钴钛合金具有良好的细胞相容性、组织相容性、骨传导性能和骨整合能力，特别适用于作为人工关节替代材料；使用的添加剂碳酸氢铵清洁无害，可完全分解为气体脱除而无杂质残留，制备的多孔钴钛合金成分纯净，且成本低廉。

附图说明

图1为该发明制备的多孔钴钛孔隙形貌照片；

图2为该发明制备的多孔钴钛三维连通孔隙形貌照片；

图3为该发明制备的多孔钴钛中造孔剂含量与孔隙度拟合关系曲线；

图4为该发明制备的多孔钴钛合金金相照片；

图5为该发明制备的多孔钴钛合金孔隙度与弹性模量拟合关系曲线；

图6为该发明制备的多孔钴钛合金孔隙表面组织细胞增殖黏附照片；

图7为多孔钴钛合金植入兔体内后取出的骨组织与合金结合宏观形貌照片；

图8为多孔钴钛合金植入兔体内后取出的骨组织与合金结合微观形貌照片；

图9为实施例1中多孔钴钛合金的XRD图谱。

具体实施方式

实施例 1

取纯度均为99.8%的钴粉和钛粉按原子比3:1进行球磨，球料比（即球磨球与粉末的质量比）为2：1，球磨6 h，球磨介质为无水乙醇。将混合料浆在真空干燥箱内80℃下干燥2h，得到钴钛复合粉末。将钴钛复合粉末与21%质量分数、200μm～250μm粒径范围的NH₄HCO₃颗粒在室温下混合4h。将混合粉末在模具中经过500MPa的压力压制，得到ø12mm×12mm的固体压坯。将固体压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为为1.0×10^-2Pa，开始时以3℃/min的升温速度缓慢升温至200℃，保温2h，后以10℃/min快速升温至烧结温度1000℃，保温2h。最后在550℃进行真空退火处理2h。

发明人参照GB/T 5163-2006、GB/T 5249-1985和GB/T 6886-2001标准对多孔钴钛合金的材料密度、孔隙度、孔径及力学性能进行检测，多孔钴钛合金密度为3.5 g/cm³，孔隙度为50.71%，平均孔隙尺寸为185μm，孔隙分布均匀，弹性模量为3.45GPa，与人骨力学性能相匹配。XRD谱线显示（见图9），合金成分纯净，为单相Co₃Ti，无碳酸氢铵等杂质相残留。参照GB/T 16886.5-2003和GB/T 16886.6-1997标准表征多孔钴钛合金的生物相容性，结果表明，多孔钴钛合金表面的细胞出现黏附和增殖，细胞伸出细小伪足与材料表面接触，7天后增殖3倍。多孔钴钛合金植入实验兔体内12周后与骨组织结合紧密，咬除表面骨质后可见孔隙内同样被新生骨质填充，新生骨小梁结构清晰。

实施例 2

取纯度均为99.8%的钴粉和钛粉按原子比1:1并以无水乙醇为介质进行球磨，为保证钴钛粉末混合均匀，选定球料比为3：1，球磨时间为5h。将混合料浆在真空干燥箱内80℃下干燥3h，得到钴钛复合粉末。将钴钛复合粉末与7%质量分数、100μm～150μm粒径范围的NH₄HCO₃颗粒混合，室温下混合3h。将混合粉末在模具中经过200MPa的压力压制，得到ø12mm×15mm的固体压坯。将固体压坯在真空烧结炉中进行烧结，真空度为1.0×10^-3Pa，开始时以2℃/min的升温速度缓慢升温至200℃，保温0.5h，后以10℃/min快速升温至烧结温度850℃，保温1h。最后进行真空退火处理，即经过真空烧结后继续保持温度处于450℃,保温时间2h。

发明人参照GB/T 5163-2006、GB/T 5249-1985和GB/T 6886-2001标准对多孔钴钛合金的材料密度、孔隙度、孔径及力学性能进行检测，多孔钴钛合金密度为3.95 g/cm³，孔隙度为36.60%，平均孔隙尺寸为76μm，孔隙分布均匀，弹性模量为4.5GPa，与人骨力学性能相匹配。XRD谱线显示，合金成分纯净，无碳酸氢铵等杂质相残留。参照GB/T 16886.5-2003和GB/T 16886.6-1997标准表征多孔钴钛合金的生物相容性，结果表明，细胞培养4h后，多孔钴钛合金表面出现明显的细胞黏附，7天后增殖1~1.5倍。多孔钴钛合金植入实验兔体内12周后与骨组织嵌合紧密。

实施例 3

称取纯度均为99.8%的钴粉和钛粉按原子比7:1球磨8h，球料比为2：1，球磨介质为无水乙醇。将混合料浆置于真空干燥箱内，以80℃干燥3h，得到钴钛复合粉末。将钴钛复合粉末与35%质量分数、150μm～200μm粒径范围的NH₄HCO₃颗粒在室温下混合5h。将混合粉末在200MPa的压力压制下得到ø12mm×15mm的固体压坯。将固体压坯在真空烧结炉中以2℃/min的升温速度缓慢升温至200℃，保温2h，后以10℃/min快速升温至烧结温度1050℃，保温2h，烧结过程中始终保持真空度为1.0×10^-2Pa，最后于600℃进行真空退火处理，保温时间4h。

发明人参照GB/T 5163-2006、GB/T 5249-1985和GB/T 6886-2001标准对多孔钴钛合金的材料密度、孔隙度、孔径及力学性能进行检测，多孔钴钛合金密度为2.73 g/cm³，孔隙度为66.215 %，孔隙分布均匀，平均孔隙尺寸为148μm，弹性模量为1.95GPa，与人骨的力学性能相匹配。XRD谱线显示，合金成分纯净，无碳酸氢铵等杂质相残留。参照GB/T 16886.5-2003和 GB/T 16886.6-1997标准表征多孔钴钛合金的生物相容性，结果表明，细胞培养6h后，多孔钴钛合金表面的细胞出现明显黏附和增殖，7天后增殖1.5~2倍，表明该法制备的多孔钴钛合金具有良好的细胞相容性，多孔钴钛合金植入实验兔体内12周后与周围骨质结合，无松动现象。

实施例 4

取纯度均为99.8%的钴粉和钛粉按原子比4:1进行球磨，球料比为3：1，球磨介质为无水乙醇，球磨6h。在真空干燥箱将混合料浆以80℃干燥2h，得到钴钛复合粉末。将钴钛复合粉末与14%质量分数、250μm～300μm粒径范围的NH₄HCO₃颗粒于室温下混合4h。将混合粉末在模具中经过300MPa的压力压制，得到ø12mm×12mm的固体压坯。将固体压坯在真空烧结炉中进行烧结，真空度为1.0×10^-2Pa，开始时以2℃/min的升温速度缓慢升温至200℃，保温2h，后以10℃/min快速升温至烧结温度950℃，保温2h。最后进行真空退火处理，即经过真空烧结后继续保持温度处于600℃,保温时间3h，以消除残余应力。

发明人参照GB/T 5163-2006、GB/T 5249-1985和GB/T 6886-2001标准对多孔钴钛合金的材料密度、孔隙度、孔径及力学性能进行检测，多孔钴钛合金密度为3.89 g/cm³，孔隙度为45.23%，平均孔隙尺寸为237μm，孔隙分布均匀，弹性模量为4.48GPa，与人骨密质骨的力学性能相匹配。XRD谱线显示，合金成分纯净，无碳酸氢铵等杂质相残留。参照GB/T 16886.5-2003和 GB/T 16886.6-1997标准表征多孔钴钛合金的生物相容性，结果表明，细胞培养6h后，多孔钴钛合金表面的细胞出现明显黏附和增殖，7天后增殖1.5~2倍。多孔钴钛合金植入实验兔体内12周后与周围骨质结合紧密。

Claims

1.一种医用植入多孔钴钛合金材料，其特征在于，所述多孔钴钛合金材料中钴与钛的原子数之比为1～8，弹性模量为1.8～5 GPa，孔径为50～240 μm，孔隙度为30～70%，密度为2.5～4.5 g/cm³。

2.如权利要求1所述的多孔钴钛合金材料，其特征在于，所述多孔钴钛合金材料中钴与钛的原子数之比为2.8～4。

3.一种制备如权利要求1或2所述多孔钴钛合金材料的方法，依次包括以下步骤：

（2）将所述钴钛复合粉末与造孔剂混合，得到混合粉末；

（3）将所述混合粉末在模具中压制成型，得到固体压坯；

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述球磨中加入无水乙醇作为球磨介质，然后真空干燥，得到钴钛复合粉末。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴粉的粒径为1～5 μm，钛粉的粒径为10～40 μm。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为NH₄HCO₃颗粒，粒径为100～300 μm；添加量为所述钴钛复合粉末质量的5～35%。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结和真空退火的真空度均低于10^-2Pa。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结分为两段，第一段，升温至200 ℃后保温0.5～2 h；第二段，升温至烧结温度850℃～1100℃后保温1～3 h。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空烧结中第一段的升温速率不高于3 ℃/min；第二段的升温速率为5～10℃/min。

10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空退火的温度为450～600 ℃，时间为1～4 h。