CN106552940A - 一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。将扁平梭型的Ti粉末和Ag粉末按照所需比例称取并进行球磨得到复合粉体，再将获得的Ti‑Ag复合粉体机械压制成中心杆坯，将中心杆坯与固定器结合放入石墨模具中，周围填充高度相等的球型Ti粉，模具上下加入冲头，再置入放电等离子烧结炉中，系统真空抽至2～6 Pa，按梯级加热方式，首先将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度600～800℃后保温3～5 min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度800～1000℃后保温10～15min后退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。利用本发明方法制备的梯度有序多孔TiAg合金不仅具有好的抗菌性和生物活性还具有高强度的特点，特别适用于人体硬组织缺陷的生物医用工程，如人工关节、人工骨、齿科种植体等。
Description
技术领域
本发明涉及一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。
背景技术
随着医疗水平的提高，对人体用植入生物医用材料的力学性能、生物相容性和生物活性要求越来越高。因此，对于生物医用钛（Ti）植入产品来说，除了满足必要的力学、耐磨耐蚀性能以及生物安全性以外，还需要具备良好的成骨活性与抗菌性。由于单一生物材料制备的产品不能很好的满足临床应用，因此利用合理的工艺技术将具有不同优点的生物材料合成制备成具有多功能的梯度材料，已成为生物医用材料的一个新方向。
银（Ag）已被证明具有良好的生物相容性、生物活性和抗菌性，许多学者（见文献：Zhang B B, Qiu K J, Wang B L, et al. Surface Characterization and CellResponse of Binary Ti-Ag Alloys with CP Ti as Material Control[J]. Journal ofMaterials Science & Technology, 2012, 28(9):779-784；Takahashi M, Kikuchi M,Takadai Y, et al. Electrochemical Behavior of Cast Ti-Ag Alloys[J]. DentalMaterials Journal, 2006, 25(3):516-23；Kikuchi M, Takahashi M, Okuno O.Machinability of experimental Ti-Ag alloys[J]. Dental Materials Journal,2008, 27(2):216-20.）将Ag添加在Ti基体中，制备成TiAg合金，其结果表明TiAg合金具有高的强度、优异的生物活性和良好的抗菌性。但是由于致密TiAg合金的弹性模量（100 GPa左右）仍然远高于人体骨骼的弹性模量（松质骨杨氏模量≤2GPa，密质骨杨氏模量2～20GPa），植入后可引起骨吸收、萎缩直至假体松动等一系列并发症，因而并未在临床上得到应用。针对上述原因，有学者在TiAg合金中引入孔隙（见文献：Hou L, Li L, Zheng Y.Fabrication and Characterization of Porous Sintered Ti–Ag Compacts forBiomedical Application Purpose[J]. Journal of Materials Science & Technology,2013, 29(4):330-338.），这样虽然降低了弹性模量但其抗压强度和耐腐蚀性也大幅度的降低，无法用于需要承载的骨植入部位，而且，在烧结中还必须添加像尿素、聚乙烯醇或NH4HCO3等造孔剂，尿素容易和基体中的Ti反应生成TiN，聚乙烯醇已被证明有肝胆组织毒性，而根据美国标准协会ASTM F2063，对于生物材料的N、C的残留不能超过500ppm。所以制备一种既具有生物活性和抗菌性，又具有多孔结构和高强度的复合功能型植入材料就非常有必要，同时，针对生物医用材料，在制备过程中最好不要有任何添加剂。
基于以上原因，本发明提出将具有优异力学性能的Ti与具有优异生物活性和抗菌性的Ag相结合进行功能梯度复合化，并在TiAg基体中引入均匀的孔隙结构，充分利用Ag优秀的导电性和球型钛粉的几何特征，采用放电等离子烧结技术，在不添加造孔剂的情况下，制备出成分纯净、孔结构有序，并兼具高强度、优异的生物活性和抗菌性的梯度有序多孔TiAg合金，可作为良好的人造骨组织替换材料，实现在临床上的应用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有Ti医用植入材料的不足，提供了一种具有抗菌性和生物活性的梯度有序多孔TiAg合金及制备方法，具体包括以下步骤：
（1）制备合金原料粉：将粒度小于等于45μm的扁平梭型的Ti金属粉末和粒度为小于等于10 μ的Ag粉末混粉后得到复合Ti-Ag原料粉体；在混合Ti-Ag粉末中，Ag占总重量的15.63%～60.26%；
（2）制作中心杆坯：将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末装入模具中，在单向压力下冷等静压成型，退模后得到材料的中心杆坯；
（3）制作梯度有序多孔坯体：将步骤（2）得到的中心杆坯石墨模具套筒内，通过固定器进行固定，固定器保证中心杆坯位于石墨模具套筒的中心位置，中心杆坯的周围填入80~200μm的球型钛粉至与杆坯平行，取出固定器，获得梯度有序多孔坯体；
（4）获得梯度有序多孔TiAg合金：在步骤（3）石墨套筒内的梯度有序多孔坯体上下加入自制的石墨导电冲头，石墨导电冲头上设有一个圆柱凸台，再将整体置入放电等离子烧结系统中，在真空条件下，按梯级加热方式进行烧结，退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。
优选的，本发明所述扁平梭型的Ti金属粉末粒度为25～45μm，纯度≥99.5%，Ag粉末的粒度为3～10 μm，纯度≥99.5%。
优选的，本发明所述复合Ti-Ag原料粉体通过高速球磨混粉得到，球磨机混粉过程的真空度为8～10 Pa，球磨时间为5～10小时。
优选的，本发明步骤（2）中所述模具为镀Cr碳钢模具、Al2O3刚玉模具，模具内径为5~10 mm。
优选的，本发明步骤（2）中单向压力为100～300MPa。
优选的，本发明所述放电等离子烧结的过程为：系统真空抽至2～6 Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度600～800℃后保温3～5 min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度800～1000℃后保温10～15min后。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）材料在制备过程中无任何添加剂，且放电等离子烧结过程具有烧结温度低烧结时间短制备过程洁净等优点，因而制备的梯度有序多孔TiAg合金可以满足生物安全性。
（2）由于放电等离子烧结系统在工作时的强制加压过程会破坏材料的孔隙结构，因此权利要求1步骤（4）中所改性的梯度石墨导电模具可以有效避免烧结系统的压力直接施加在材料上，能够保证材料与骨组织接触的部分具有适合骨细胞在其表面粘附长入的高孔隙率和大孔径。
（3）利用本发明制备的梯度有序多孔TiAg合金具有互相连通、形状规则有序的孔隙结构（孔隙率＞40%），Ag离子和体液可在植入体与骨组织间相互传输，因而具有优异的抗菌性和生物活性，此外还同时具有高的抗压强度和较好的吸能减震效果，可作为宿主内的长期支承植入材料。
（4）采用本发明方法制备的梯度有序多孔TiAg合金可作为理想的承重骨组织替换材料，同时本发明方法工艺简单、操作方便、成本低廉，易于实现工业化生产。
附图说明
图1本发明球型钛粉的SEM形貌图；
图2本发明一个实施例TiAg合金在900℃下的EDS谱图；
图3为本发明一个实施例900℃烧结温度下TiAg合金截面分布的SEM形貌图；
图4为本发明所述石墨模具的结构示意图。
图4中：1-石墨导电上冲头；2-原料烧结室；3-温度测量孔；4-石墨模具套筒；5-石墨导电下冲头。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例所用石墨模具如图4所示，包括石墨导电上冲头1、原料烧结室2、温度测量孔3、石墨模具套筒4、石墨导电下冲头5，两个冲头上分别加工出一个3~5mm的凸台，凸台的直径大于石墨导电冲头的直径，当装入压坯时，将两个冲头相向放入石墨模具套筒4中。
实施例1
本实施例所述一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）获得合金原料粉：将粒度为25μm、纯度为99.5%，扁平梭型的Ti金属粉末和粒度为3μm，纯度为99.5% 的Ag粉末放入球磨机的球磨罐中进行高速球磨混粉得到复合Ti-Ag原料粉体。在混合Ti-Ag粉末中，Ag占总重量的15.63%，球磨机混粉过程的真空度为10 Pa，球磨时间为5小时。
（2）制作中心杆坯：将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末装入内径模具为5 mm的镀Cr碳钢模具中，在100 MPa的单向压力下冷等静压成型，退模后得到材料的中心杆坯。
（3）制作梯度有序多孔坯体：将步骤（2）得到的中心杆坯放入匹配的固定器中，再将固定器插入石墨模具套筒内，周围填入80 μm的球型钛粉至于杆坯平行，取出固定器，获得梯度有序多孔坯体。
（4）获得梯度有序多孔TiAg合金：在步骤（3）石墨套筒内的梯度有序多孔坯体上下加入自制的梯形的石墨导电冲头，再整体置入放电等离子烧结系统中，系统真空抽至2 Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度600℃后保温3 min，然后以50℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度900 ℃后保温10min后，退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。
按本例中相同的工艺条件，按步骤（4）得到的梯度有序多孔坯体分别加热至第一级梯度温度600℃后保温3 min后在800℃、850℃、950℃和1000℃下置于放电等离子烧结炉中进行烧结获得不同烧结温度的梯度有序多孔TiAg合金。利用扫描电镜（SEM）对球型钛颗粒的形貌进行了观察，如图1所示。利用能谱仪（EDS）对900℃烧结温度下的梯度有序多孔TiAg合金进行分析（如图2所示）。从图中可以看出，该合金成分主要以钛和银为主。利用SEM对烧结温度在900℃下的梯度有序多孔TiAg合金的截面进行观察（如图3所示），发现材料的中心部位有着较高的致密度，材料的外层部位由均匀有序的球型颗粒形成的网状结构，这些网状结构构成的有序孔不但能够提供位置供细胞在其表面粘附生长，还在材料整体的受力变形中起到协同调控的作用，使得材料在变形时能够吸收更多的能量。将烧结温度在900℃下的梯度有序多孔TiAg合金与人体模拟体液共培养7天后，发现复合材料与骨组织接触的外部结构发现有大量的类骨磷酸盐沉积，表现出良好的生物活性。将烧结温度在900℃下的梯度有序多孔TiAg合金分别与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养6周后发现，材料周围的出现明显的抗菌环，细菌数量随共培养时间的增多而明显下降，表现出材料优异的抗菌性能。
实施例2
本实施例所述一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）获得合金原料粉：将粒度为45μm、纯度为99.5%，扁平梭型的Ti金属粉末和粒度为10μm，纯度为99.5% 的Ag粉末放入球磨机的球磨罐中进行高速球磨混粉得到复合Ti-Ag原料粉体。在混合Ti-Ag粉末中，Ag占总重量的60.26%，球磨机混粉过程的真空度为10 Pa，球磨时间为10小时。
（2）制作中心杆坯：将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末装入内径模具为5 mm的镀Cr碳钢模具中，在300MPa的单向压力下冷等静压成型，退模后得到材料的中心杆坯。
（3）制作梯度有序多孔坯体：将步骤（2）得到的中心杆坯放入匹配的固定器中，再将固定器插入石墨模具套筒内，周围填入80 μm的球型钛粉至于杆坯平行，取出固定器，获得梯度有序多孔坯体。
（4）获得梯度有序多孔TiAg合金：在步骤（3）石墨套筒内的梯度有序多孔坯体上下加入自制的梯形的石墨导电冲头，再整体置入放电等离子烧结系统中，系统真空抽至6 Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度800℃后保温5 min，然后以80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1000℃后保温15min后，退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。
将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末分别装入内径模具为6 mm、7 mm、8mm、9mm、和10mm的镀Cr碳钢模具中，再按本例中相同的工艺条件制备出不同梯度直径的有序多孔TiAg合金。将上述合金与人体模拟体液共培养7天后，合金表面发现有大量的类骨磷酸盐沉积，表现出良好的生物活性。利用MTT法（细胞毒性测试）检测材料对细胞的凋零和毒性影响，发现该合金对成年大鼠骨髓间充质干细胞的细胞毒性为0级，满足植入材料的使用要求。
实施例3
本实施例所述一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）获得合金原料粉：将粒度为35μm、纯度为99.5%，扁平梭型的Ti金属粉末和粒度为5μm，纯度为99.5% 的Ag粉末放入球磨机的球磨罐中进行高速球磨混粉得到复合Ti-Ag原料粉体。在混合Ti-Ag粉末中，Ag占总重量的35%，球磨机混粉过程的真空度为9 Pa，球磨时间为8小时。
（2）制作中心杆坯：将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末装入内径模具为7 mm的镀Cr碳钢模具中，在200MPa的单向压力下冷等静压成型，退模后得到材料的中心杆坯。
（3）制作梯度有序多孔坯体：将步骤（2）得到的中心杆坯放入匹配的固定器中，再将固定器插入石墨模具套筒内，周围填入90 μm的球型钛粉至于杆坯平行，取出固定器，获得梯度有序多孔坯体。
（4）获得梯度有序多孔TiAg合金：在步骤（3）石墨套筒内的梯度有序多孔坯体上下加入自制的梯形的石墨导电冲头，再整体置入放电等离子烧结系统中，系统真空抽至5 Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度700℃后保温4 min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度900℃后保温13min后，退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。
在步骤（3）制作梯度有序多孔坯体的过程中，在中心杆坯周围填入粒径分别为100μm、150μm和200μm的球型钛粉，再按本例中相同的工艺条件制备出外层结构具有不同孔隙尺寸和孔隙的不同连通程度的梯度有序多孔TiAg合金。将不同孔隙结构下的下的梯度有序多孔TiAg合金与成年大鼠成骨细胞共培养，发现随着培养时间的增加，细胞逐渐粘附在材料外层结构的孔壁上，继续培养至1周后，细胞周围伸出细长的“伪足”，并深入孔隙内部进行生长分化，表明梯度有序多孔TiAg合金具有好的成骨细胞活性。
Claims (6)
1.一种梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）制备合金原料粉：将粒度小于等于45μm的扁平梭型的Ti金属粉末和粒度为小于等于10μ的Ag粉末混粉后得到复合Ti-Ag原料粉体；在混合Ti-Ag粉末中，Ag占总重量的15.63%～60.26%；
（2）制作中心杆坯：将步骤（1）中得到的复合Ti-Ag原料粉末装入模具中，在单向压力下冷等静压成型，退模后得到材料的中心杆坯；
（3）制作梯度有序多孔坯体：将步骤（2）得到的中心杆坯装入石墨模具套筒内，通过固定器进行固定，固定器保证中心杆坯位于石墨模具套筒的中心位置，中心杆坯的周围填入80~200μm的球型钛粉至与杆坯平行，取出固定器，获得梯度有序多孔坯体；
（4）获得梯度有序多孔TiAg合金：在步骤（3）石墨套筒内的梯度有序多孔坯体上下加入自制的石墨导电冲头，石墨导电冲头上设有一个圆柱凸台，再将整体置入放电等离子烧结系统中，在真空条件下，按梯级加热方式进行烧结，退模即得到梯度有序多孔TiAg合金。
2.根据权利要求1所述的梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于：扁平梭型的Ti金属粉末粒度为25～45μm，纯度≥99.5%，Ag粉末的粒度为3～10 μm，纯度≥99.5%。
3.根据权利要求1所述的梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于：复合Ti-Ag原料粉体通过高速球磨混粉得到，球磨机混粉过程的真空度为8～10 Pa，球磨时间为5～10小时。
4.根据权利要求1所述的梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述模具为镀Cr碳钢模具、Al2O3刚玉模具，模具内径为5~10 mm。
5.根据权利要求1所述的梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）中单向压力为100～300MPa。
6.根据权利要求1所述的梯度有序多孔TiAg合金的制备方法，其特征在于：放电等离子烧结的过程为：系统真空抽至2～6 Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度600～800℃后保温3～5 min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度800～1000℃后保温10～15min后。
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