CN105770995A

CN105770995A - 一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料

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Publication number: CN105770995A
Application number: CN201410777383.3A
Authority: CN
Inventors: 汤燕
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-07-20

Abstract

本发明公开了一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，属于生物材料技术领域；所述生物材料包括基体和熔覆于基体上的熔覆层，所述熔覆层为由内而外的三层组成，各层的钛含量和羟基磷灰石按梯度分布；本发明的采用激光熔覆工艺所得到的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，该材料具有涂层与基体良好的结合性和结合强度的同时，还具备良好的生物活性，以利于骨组织的生长，复合材料既有一定的致密度，又有一定的空隙率，合适的扫描速度也使得涂层具备较好的致密度。

Description

一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料

技术领域

本发明涉及生物材料，尤其是一种采用激光熔覆而成的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，属于生物材料技术领域。

背景技术

目前，生物陶瓷涂层的制备方法主要有：等离子喷涂法、电化学法、溶胶-凝胶法、水热合成法、粉浆涂层和烧结、激光熔覆法等。由于临床上对生物材料有不同的性能要求，所以各种制备方法都是为了满足某一方面的性能而被经常使用。

同时随着表面科学和技术的迅猛发展，在金属医用生物材料表面熔覆一层或多层生物陶瓷材料的研究和开发已倍受人们的关注。在机械强度高、生物相容性差的金属等种植体基材表面涂敷上一层生物相容性好的生物陶瓷涂层，来与生物体直接接触。通过控制表面处理工艺参数，可以调整生物陶瓷涂层的孔隙率和表面状态。这种多孔生物陶瓷涂层材料能够作为永久性的骨或作为细胞组织能够长入的骨。

发明内容

本发明的发明目的在于：提供一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，该材料具有涂层与基体良好的结合性和结合强度的同时，还具备良好的生物活性，以利于骨组织的生长。

本发明采用的技术方案如下：

一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，包括基体和熔覆于基体上的熔覆层，所述熔覆层为由内而外的三层组成，熔覆层的基础组分为钛粉和羟基磷灰石原料粉末，所述羟基磷灰石原料粉末由CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃组成，以质量百分数计CaHPO₄·2H₂O为75-86%，CaCO₃为14-25%；所述第一熔覆层以质量百分数计钛粉为82-86%，羟基磷灰石原料粉末为14-18%，第二熔覆层以质量百分数计钛粉为53-58%，羟基磷灰石原料粉末为42-47%，第三熔覆层以质量百分数计钛粉为0.01-0.03%，羟基磷灰石原料粉末为99.97-99.99%；三熔覆层通过激光熔覆法依次熔覆制成，激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度80-160mm/min，光斑尺寸15mm×1mm，所述基体为Ti-6Al-4V材料。

所述激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度140mm/min，光斑尺寸15mm×1mm。

所述CaHPO₄·2H₂O为82%，CaCO₃为18%。

所述钛粉的粒度为35-40微米。

所述第一熔覆层中钛粉为85%，羟基磷灰石原料粉末为15%。

所述第二熔覆层中钛粉为55%，羟基磷灰石原料粉末为45%。

所述第三熔覆层中钛粉为0.01%，羟基磷灰石原料粉末为99.99%。

激光熔覆中，随着输出功率P的增大，生物陶瓷涂层组织的致密性下降。这是因为随着输出功率的增大，也即提高了陶瓷的烧结温度。随着烧结温度的升高，形成陶瓷的晶粒逐渐长大，同时使晶粒的棱角变得圆滑，小晶粒互相连接而形成较大晶粒，这时晶界处的玻璃态液相填充晶粒间的空隙并粘接小晶粒；小晶粒又进一步长大，随温度升高而形成的玻璃态液相再进一步填充孔隙，这样晶粒长大和液相填充不断往复循环进行，最终形成陶瓷。但和通常烧结工艺不同，由于激光熔覆是快速加热和快速冷却过程，当输出功率大，也即烧结温度高时，所形成的晶粒尺寸比较大，由于液相来不及填充而形成的孔隙也较大；另一方面，由于输出功率大，烧结过程中产生的热应力也较大，这样也容易形成较大的空洞和裂纹。由于所制备的生物陶瓷要求有一定的空隙率，以便骨组织的长入。当输出功率P=2.5kW时，所制备的陶瓷表面既有一定的致密度，又有一定的空隙率。

羟基磷灰石[Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂]的钙磷原子比为1.67，合成HA的CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃的重量百分比分别为72%和28%，由于激光熔覆过程中Ca、P存在烧损，特别是P的烧损更为严重，故对混合粉末进行CaHPO₄·2H₂O为75-86%，CaCO₃为14-25%的钙磷比设计。

本发明的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，梯度涂层成分设计方案如有点如下：第一梯度层（邻近基材）高含量的Ti粉目的是使其与基材的热物性参数尽量接近，以便在激光熔覆过程中减少开裂倾向，提高涂层与基材之间的结合强度；第二梯度层为羟基磷灰石原料粉末比钛粉稍少，使第二梯度层与第一梯度层具有良好的匹配性，同时又使第二梯度层主要以金属材料为主。第三层（即最表层）近100%羟基磷灰石原料粉成分使最表层完全为具备生物活性的HA生物陶瓷涂层，有利于骨组织的生长。

这种梯度生物活性陶瓷涂层的成分设计，使涂层内热膨胀系数具有一定的梯度分布范围，降低了涂层与基体间的热膨胀系数差值，有利于改善涂层与基体的匹配性，降低涂层的残余应力，改善涂层与基材的给合状态。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：采用激光熔覆工艺所得到的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，该材料具有涂层与基体良好的结合性和结合强度的同时，还具备良好的生物活性，以利于骨组织的生长，复合材料既有一定的致密度，又有一定的空隙率，合适的扫描速度也使得涂层具备较好的致密度。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例中，采用CaHPO₄·2H₂O为分析纯、CaCO₃为分析纯、Ti粉粒度为35-40μm。

实施例1

本实施例的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，熔覆层的基础组分为钛粉和羟基磷灰石原料粉末，所述羟基磷灰石原料粉末由CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃组成，以质量百分数计CaHPO₄·2H₂O为75%，CaCO₃为25%，所述基体为Ti-6Al-4V材料。

配置各梯度层原料：

第一熔覆层：以质量百分数计钛粉82%，羟基磷灰石原料粉末为18%；

第二熔覆层：以质量百分数计钛粉53，羟基磷灰石原料粉末为47%；

第三熔覆层：以质量百分数计钛粉0.03%，羟基磷灰石原料粉末为99.97%。

在熔覆前将原料采用粘结剂调配，各层通过激光熔覆法进行熔覆，激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度80mm/min，光斑尺寸15mm×1mm，在进行各层熔覆前分别对熔覆表面进行清洁。

实施例2

本实施例的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，熔覆层的基础组分为钛粉和羟基磷灰石原料粉末，所述羟基磷灰石原料粉末由CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃组成，以质量百分数计CaHPO₄·2H₂O为82%，CaCO₃为18%，所述基体为Ti-6Al-4V材料。

配置各梯度层原料：

第一熔覆层：以质量百分数计钛粉85%，羟基磷灰石原料粉末为15%；

第二熔覆层：以质量百分数计钛粉55%，羟基磷灰石原料粉末为45%；

第三熔覆层：以质量百分数计钛粉0.01%，羟基磷灰石原料粉末为99.99%。

在熔覆前将原料采用粘结剂调配，各层通过激光熔覆法进行熔覆，激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度140mm/min，光斑尺寸15mm×1mm，在进行各层熔覆前分别对熔覆表面进行清洁。

实施例3

本实施例的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，熔覆层的基础组分为钛粉和羟基磷灰石原料粉末，所述羟基磷灰石原料粉末由CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃组成，以质量百分数计CaHPO₄·2H₂O为86%，CaCO₃为14%，所述基体为Ti-6Al-4V材料。

配置各梯度层原料：

第一熔覆层：以质量百分数计钛粉86%，羟基磷灰石原料粉末为14%；

第二熔覆层：以质量百分数计钛粉58%，羟基磷灰石原料粉末为42%；

第三熔覆层：以质量百分数计钛粉0.02%，羟基磷灰石原料粉末为99.98%。

在熔覆前将原料采用粘结剂调配，各层通过激光熔覆法进行熔覆，激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度160mm/min，光斑尺寸15mm×1mm，在进行各层熔覆前分别对熔覆表面进行清洁。

本发明的采用激光熔覆工艺所得到的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，该材料具有涂层与基体良好的结合性和结合强度的同时，还具备良好的生物活性，以利于骨组织的生长，复合材料既有一定的致密度，又有一定的空隙率，合适的扫描速度也使得涂层具备较好的致密度。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：包括基体和熔覆于基体上的熔覆层，所述熔覆层为由内而外的三层组成，熔覆层的基础组分为钛粉和羟基磷灰石原料粉末，所述羟基磷灰石原料粉末由CaHPO₄·2H₂O和CaCO₃组成，以质量百分数计CaHPO₄·2H₂O为75-86%，CaCO₃为14-25%；所述第一熔覆层以质量百分数计钛粉为82-86%，羟基磷灰石原料粉末为14-18%，第二熔覆层以质量百分数计钛粉为53-58%，羟基磷灰石原料粉末为42-47%，第三熔覆层以质量百分数计钛粉为0.01-0.03%，羟基磷灰石原料粉末为99.97-99.99%；三熔覆层通过激光熔覆法依次熔覆而成，激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度80-160mm/min，光斑尺寸15mm×1mm，所述基体为Ti-6Al-4V材料。

2.如权要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述激光熔覆参数为：输出功率2.5kW，扫描速度140mm/min，光斑尺寸15mm×1mm。

3.如权利要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述CaHPO₄·2H₂O为82%，CaCO₃为18%。

4.如权要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述钛粉的粒度为35-40微米。

5.如权利要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述第一熔覆层中钛粉为85%，羟基磷灰石原料粉末为15%。

6.如权利要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述第二熔覆层中钛粉为55%，羟基磷灰石原料粉末为45%。

7.如权利要求1所述的具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料，其特征在于：所述第三熔覆层中钛粉为0.01%，羟基磷灰石原料粉末为99.99%。