CN106693069A - 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品 - Google Patents

医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品 Download PDF

Info

Publication number
CN106693069A
CN106693069A CN201710097639.XA CN201710097639A CN106693069A CN 106693069 A CN106693069 A CN 106693069A CN 201710097639 A CN201710097639 A CN 201710097639A CN 106693069 A CN106693069 A CN 106693069A
Authority
CN
China
Prior art keywords
tantalum
composite
titanium
artificial bone
titanium alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710097639.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106693069B (zh
Inventor
胡树兵
王文凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201710097639.XA priority Critical patent/CN106693069B/zh
Publication of CN106693069A publication Critical patent/CN106693069A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106693069B publication Critical patent/CN106693069B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/06—Titanium or titanium alloys
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/04—Metals or alloys
    • A61L27/047—Other specific metals or alloys not covered by A61L27/042 - A61L27/045 or A61L27/06
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
    • A61L2400/18—Modification of implant surfaces in order to improve biocompatibility, cell growth, fixation of biomolecules, e.g. plasma treatment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/24—Materials or treatment for tissue regeneration for joint reconstruction

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

本发明公开一种多孔钛钽人工骨、关节的制备方法以及产品，属于生物材料领域，方法包括：S1对钛合金片和钽片待结合面进行打磨，然后依次用丙酮、酒精、去离子水进行超声清洗；S2将钛合金片和钽片贴合，加热到850℃～1050℃，保温20min～40min，然后加压进行塑性变形，随后空冷至室温，以使两种材料之间形成冶金结合；S3利用固体激光器在复合板上快速制备穿孔，孔径大小为300μm～600μm；S4利用热成型技术，将钛钽复合板制备成各种人工骨、关节形状；S5利用碱加预钙化处理提高复合材料的生物相容性。本发明所用的热轧复合方法相较于传统爆炸复合法更加安全、可控、方便、结合牢固，本发明的产品具有较高的生物相容性。

Description

医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，更具体地，涉及一种制备永久性医用多孔金属植入物的方法和产品，具体涉及一种制备适用于替代人体骨、人体关节的医用植入物多孔钛钽人工骨、人工关节的方法和产品。
背景技术
目前，多孔医用金属植入材料在治疗骨组织创伤、股骨组织坏死、脊柱外科和种植牙等领域具有重要而特殊的用途。多孔的结构有利于周围生物组织的长入，使植入材料与周围骨组织形成牢固的机械锁合，有利于植入材料在人体内的稳定性。在保证植入材料力学性能的前提下，应尽可能提高植入材料的孔隙率，而且孔隙最好连通均匀分布。
金属钽在20世纪中叶开始应用于医学领域，1997年多孔钽材料在关节置换、股骨头缺血性坏死的治疗和椎体融合等领域得到广泛应用，它具有很好的生物相容性，对人体组织没有毒副作用，同时具有很高的耐蚀性和化学稳定性，在人体内可长期稳定存在。
目前，美国Zimmer公司利用化学气相沉积生产的多孔钽金属，构型为十二面体多重排列，形成相互连通、交错的微孔结构，具有高孔径、高孔隙率、高摩擦系数、组织相容性好等许多优点，在国外已得到广泛应用。我国于2008年已将多孔钽引入了国内市场，但是，由于专利保护等多种原因，导致这种产品在国内价格过高，给患者带来较高经济压力，影响其使用和推广。
公开号为CN 103691003 A的中国专利公布了一种通过浸渍、脱脂、烧结的方法制备多孔钽的技术，但制备过程较为复杂，工艺繁琐，耗时长。公开号为CN 102796909 A的中国专利提出了一种采用三维打印成型制备多孔钽医用植入材料的方法，该方法首先将纯钽粉与成型剂混合，送入三维打印机打印成型，然后再通过脱脂、真空烧结、冷却和热处理得到多孔钽。这种制备技术工艺也相对复杂，而且三维打印成型技术效率较低，再加上后期的一系列处理，生产效率很低，不利于产品成本的控制。
目前，广泛应用的金属植入材料为钛及其合金，但其耐蚀性和生物相容性与钽存在一定差距，植入人体后使患者具有二次手术的风险。如果能以钛合金为基体，在其表面复合一层很薄的钽片，既能利用钽的高耐蚀性和生物相容性，又减少了钽的用量，克服了钽价格昂贵的限制因素。
钛和钽的复合技术，国内外文献报道很少。公开号为CN 101862231 A的中国专利申请报道了一种利用等离子喷涂技术在人工假体表面制备高孔隙率钽涂层的方法。由于喷涂的特点，两种材料的结合力较差，容易产生剥落，而且结构较为复杂的假体很难通过喷涂得到均匀的钽涂层。公开号为CN 102409195 A的中国专利中提出了一种利用激光熔覆制备多孔钽的方法，该专利中首先在基体表面预先铺一层高纯钽粉，再通过激光熔覆的方式制备金属钽涂层，这种方式制备的钽涂层与基体可以形成冶金结合，但是涂层表面形貌、孔径大小难以控制，而且由于激光处理的快速加热和快速冷却，导致Ta-Ti合金化层很容易产生微裂纹，并且激光设备投入成本过高，涂层制备过程工艺复合、耗时长。公开号为CN103586641 A中国专利中提出了一种利用爆炸焊接制备钛钽铂复合板的方法，该方法虽然能使钛和钽之间形成固相结合，但是，爆炸焊接要求板材较厚，很难生产出薄复合板，不利于减少钽的用量，从而控制成本；同时，爆炸焊接的复合板质量不稳定，还存在噪音污染和冲击波污染，不利于环保。
此外，金属钛和金属钽均属于生物惰性材料，植入人体后无法与周围骨组织形成化学结合，所以在植入早期容易产生无菌性松动。中科院上海硅酸盐研究所的黄利平等人(黄利平,谢有桃,季珩,等.真空等离子喷涂HA/Ta复合涂层[J].热喷涂技术,2013,5(2):10-15.)利用等离子喷涂的方式在金属钛表面制备了一层钽/羟基磷灰石复合涂层，希望通过羟基磷灰石与骨组织的化学结合提高植入物稳定性，但是复合涂层与基体之间结合力只有37MPa，涂层在人体内容易发生脱落。所以，如何提高植入材料与骨组织的化学结合力，也一直是科学家们研究的热点领域。
因此，需要开发一种新型的人工骨、人工关节材料及其制备方法，要求其具有良好的生物相容性，并且自身结构牢固，抗腐蚀能力强，不会造成二次手术。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品，其目的在于，采用热轧工艺将钽和钛冶金结合形成复合材料，再制备成人工骨或者人工关节，接着还进行碱处理和预钙化处理，以提高生物相容性，本发明的制备方法能提供一种具有实际应用前景的人工骨、人工关节，其生物相容性好、抗腐蚀能力强、自身材料性能和结构稳定。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其包括如下步骤：
S1：将钛合金片和纯钽片打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯，其组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用TIG(钨极氩弧焊)精密焊补机在侧面贴合处进行点焊；
S3：将步骤S2组装的轧坯加热至850℃～1050℃，保温20min～40min，加热和保温过程中都具有惰性气氛保护；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后得到复合材料，多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％，轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片作为润滑层；
S5：将步骤S4所述复合材料在温度700℃～800℃的条件下进行热处理30min～60min，然后空冷至室温，以使钛和钽界面处形成均匀冶金结合过渡层；
S6：将热处理后的复合材料进行激光钻孔以获得穿孔，孔径大小在300μm～600μm；
S7：将钻孔后的复合材料加热到300℃～500℃，保温10min～20min，利用热成型技术制备成设定形状的人工骨或人工关节；
S8：将步骤S7获得的人工骨或人工关节依次进行碱处理和预钙化处理，使材料表面形成一层生物活性层，以提高生物相容性。
以上发明构思中，步骤S2至S5中，钛合金片和钽合金片的复合制备技术为热轧复合。上述步骤S6中，钻孔方式为激光钻孔，孔的结构为穿孔，孔径大小300～600μm，孔径精密可控。本发明所述的制孔技术为激光钻孔，该技术不仅可用于本发明的钛钽复合板，还可应用于多种医用金属植入材料，例如不锈钢、钴钼合金、钛合金和纯钽。碱加预钙化活化处理后，材料表面会生成一层生物活性层，植入人体后会短时间内在人体组织液中自发形成一层纳米结构羟基磷灰石，从而使植入物与周围骨组织形成化学结合，并且羟基磷灰石的纳米结构能促进细胞的增殖、分化。
进一步的，上述步骤S8中，所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为50℃～70℃的NaOH溶液中浸泡20h～30h；
S82：将碱处理后的复合材料浸入温度为30℃～50℃的饱和K2HPO4溶液中10h～14h；
S83：在0.8mol/L～1.2mol/L的CaCl2溶液中钙化处理3h～5h。
进一步的，上述步骤S8中，所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为60℃的NaOH溶液中浸泡24h；
S82：将碱处理后的材料浸入温度为40℃的饱和K2HPO4溶液中12h，
S83：然后再在1mol/L的CaCl2溶液中钙化处理4h。
进一步的，上述步骤S3中，升温速率为100℃/min～140℃/min，优选为120℃/min。
进一步的，步骤S1中，将钛合金片和纯钽片依次采用400目、800目、1200目砂纸进行逐级打磨，以去除表面氧化层和油污。
进一步的，步骤S1中，钛合金片为TC4钛合金片。
进一步的，步骤S6中，激光钻孔所用的钻孔设备为YAG固体激光器。
按照本发明的另一方面，还提供了一种如上所述方法制备获得的多孔钛钽人工骨、人工关节。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明制备方法中，采用热轧复合方法将钛合金片和钽合金片冶金结合在一起，该方法适合工业化生产，工艺稳定可靠，能保证复合材料的结合质量，激光钻孔相较于脱脂、烧结和3D打印制孔技术明显提高了制孔效率，且孔结构为穿孔，孔径精确可控，多孔结构具有骨诱导效应，使植入物与周围组织形成稳固的机械锁合。利用热成型技术，将复合板直接弯折成所需的各种人工骨、关节形状，简化了生产工艺。利用碱加预钙化处理，使复合材料表面形成一层生物活性层，可与骨组织形成化学结合，提高植入材料在人体内的稳定性。
本发明方法制得的多孔钛钽人工骨、人工关节工艺简单、成本相对较低、生物相容性好、孔径大小可精确控制在300～600μm，成型方式简便，同时可以与周围骨组织形成机械锁合和化学结合，植入物稳定可靠。在医用领域，适合替代钛合金作为人体金属植入材料，同时相较于医用纯钽，具有成本价格低的优势。
附图说明
图1是本发明制备方法的流程图；
图2是本发明实施例的多孔钛钽复合板结构示意图；
图3是本发明实施例的多孔钛钽人工椎体结构示意图，图中斜线区为钛合金层，外层是薄钽层，人工椎体为多孔结构；
图4是本发明实施例的多孔钛钽经过碱加预钙化活化处理后的截面示意图，图中数字1为表面活性层，图中数字2为薄钽层，图中数字3为钛合金层；
图5是本发明实施例的多孔钛钽复合材料的界面结合SEM图像，两种材料结合方式为冶金结合；
图6是本发明制备方法制备的多孔钛钽复合材料在模拟体液中浸泡14天后的表面形貌，复合材料表面生成一层纳米结构的羟基磷灰石。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的制备方法用于制备出一种高生物相容性医用金属植入物多孔钛钽人工骨、人工关节。图1是本发明制备方法的流程图，由图可知，本发明方法包括如下步骤：
S1：将TC4钛合金片和纯钽片用400目到1200目砂纸进行逐级打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯；组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用精密焊补机在侧面贴合处进行点焊固定；
S3：将步骤S2组装好的轧坯升温至850℃～1050℃，保温20～40min，加热和保温过程中都需要惰性气氛保护；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷至室温后得到复合材料；多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％；轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均添加一层石墨片作为润滑层；
S5：将步骤S4所述复合板在温度500℃～800℃的条件下进行热处理30min～60min，空冷至室温；
S6：将步骤S5热处理后的复合材料进行裁切，去除边缘外溢钛合金，将切割处理后的复合材料采用激光钻孔的方式制备孔径大小在300～600μm的穿孔；所用钻孔设备为YAG固体激光器；
S7：将上述钻孔后的复合板加热到300℃～500℃，保温15min，然后弯折成型成所需的各种形状的人工骨、人工关节形状；
S8：将成型后的人工骨、人工关节在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为50℃～70℃的NaOH溶液中浸泡20h～30h；然后，将碱处理后的材料浸入温度为30℃～50℃的饱和K2HPO4溶液中10h～14h，再在0.8mol/L～1.2mol/L的CaCl2溶液中钙化处理3h～5h。
经过碱加预钙化处理后的人工关节表面会形成一层生物活性层，该生物活性层在人体体液中可自发形成一层羟基磷灰石层，羟基磷灰石可与骨组织形成稳定的化学结合，同时其特殊的纳米结构还能促进骨细胞增殖、分化，从而改善植入材料的稳定性。
为了进一步阐明本发明方法，下面结合具体实施例进一步说明。
实施例1
本实施例包括如下步骤：
S1：将钛合金片和纯钽片依次采用400目、800目、1200目砂纸进行逐级打磨，以去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，其中的钛合金片为TC4钛合金片，TC4为钛合金的牌号，其具体成分为：铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，铝(Al)5.5～6.8，钒(V)3.5～4.5，余量为钛(Ti)；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯，其组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用钨极氩弧焊精密焊补机在侧面贴合处进行点焊；
S3：将步骤S2组装的轧坯加热至850℃，保温40min，加热和保温过程中都具有惰性气氛保护，升温速率为100℃/min；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后得到复合材料，多道次轧制总变形率为40％，第一道次变形率为30％，轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片以起到润滑作用；
S5：将步骤S4所述复合材料在温度700℃的条件下进行热处理60min，然后空冷至室温，以使钛和钽界面处形成均匀冶金结合过渡层；
S6：将热处理后的复合材料进行激光钻孔以获得穿孔，孔径大小在600μm，激光钻孔所用的钻孔设备为YAG固体激光器；
S7：将钻孔后的复合材料加热到400℃，保温10min，利用热成型技术制备成设定形状的人工骨或人工关节；
S8：将步骤S7获得的人工骨或人工关节依次进行碱处理和预钙化处理，使材料表面形成一层生物活性层，以提高生物相容性。所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.3mol/L，温度为50℃的NaOH溶液中浸泡30h；
S82：将碱处理后的复合材料浸入温度为50℃的饱和K2HPO4溶液中10h；
S83：在1.2mol/L的CaCl2溶液中钙化处理5h。
实施例2
本实施例包括如下步骤：
S1：将钛合金片和纯钽片依次采用400目、800目、1200目砂纸进行逐级打磨，以去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，其中的钛合金片为TC4钛合金片；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯，其组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用钨极氩弧焊精密焊补机在侧面贴合处进行点焊；
S3：将步骤S2组装的轧坯加热至1050℃，保温20min，加热和保温过程中都具有惰性气氛保护，升温速率为为120℃/min；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后得到复合材料，多道次轧制总变形率为80％，第一道次变形率为30％，轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片以起到润滑作用；
S5：将步骤S4所述复合材料在温度800℃的条件下进行热处理30min，然后空冷至室温，以使钛和钽界面处形成均匀冶金结合过渡层；
S6：将热处理后的复合材料进行激光钻孔以获得穿孔，孔径大小在300μm，激光钻孔所用的钻孔设备为YAG固体激光器；
S7：将钻孔后的复合材料加热到300℃，保温20min，利用热成型技术制备成设定形状的人工骨或人工关节；
S8：将步骤S7获得的人工骨或人工关节依次进行碱处理和预钙化处理，使材料表面形成一层生物活性层，以提高生物相容性。所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.7mol/L，温度为70℃的NaOH溶液中浸泡20h；
S82：将碱处理后的复合材料浸入温度为30℃的饱和K2HPO4溶液中14h；
S83：在0.8mol/L的CaCl2溶液中钙化处理3h。
实施例3
本实施例包括如下步骤：
S1：将钛合金片和纯钽片依次采用400目、800目、1200目砂纸进行逐级打磨，以去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗，其中的钛合金片为TC4钛合金片，TC4为钛合金的牌号，其具体成分为余量为钛(Ti)，铁(Fe)≤0.30，碳(C)≤0.10，氮(N)≤0.05，氢(H)≤0.015，氧(O)≤0.20，铝(Al)5.5～6.8，钒(V)3.5～4.5；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯，其组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用钨极氩弧焊精密焊补机在侧面贴合处进行点焊；
S3：将步骤S2组装的轧坯加热至1000℃，保温30min，加热和保温过程中都具有惰性气氛保护，升温速率为140℃/min；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片以起到润滑作用；
S5：将步骤S4所述复合材料在温度750℃的条件下进行热处理40min，然后空冷至室温，以使钛和钽界面处形成均匀冶金结合过渡层；
S6：将热处理后的复合材料进行激光钻孔以获得穿孔，孔径大小在400μm，激光钻孔所用的钻孔设备为YAG固体激光器；
S7：将钻孔后的复合材料加热到500℃，保温15min，利用热成型技术制备成设定形状的人工骨或人工关节；
S8：将步骤S7获得的人工骨或人工关节依次进行碱处理和预钙化处理，使材料表面形成一层生物活性层，以提高生物相容性。所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.5mol/L，温度为60℃的NaOH溶液中浸泡25h；
S82：将碱处理后的复合材料浸入温度为40℃的饱和K2HPO4溶液中12h；
S83：在1.0mol/L的CaCl2溶液中钙化处理4h。
实施例4
本实施例的步骤与实施例3唯一不同的是，步骤S4中，
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后得到复合材料，多道次轧制总变形率为60％，第一道次变形率为30％，轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片以起到润滑作用。
本发明的较佳实施例
医用多孔钛钽复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将20mmⅹ20mmⅹ4mm的TC4钛合金片和20mmⅹ20mmⅹ2mm纯钽片分别用400目、800目、1200目砂纸进行打磨，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗；
2)将钛合金片和纯钽片进行贴合，利用精密焊补机在侧面贴合处进行点焊固定；
3)将组装好的轧坯在惰性气氛保护下以120℃/min的升温速率加热至950℃，保温30min；
4)将保温结束后的轧坯进行压缩率为30％的单道次轧制，空冷至室温；轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均添加一层石墨片作为润滑层；
5)将复合材料进行裁切，去除边缘外溢钛合金；
6)将裁切后的复合材料采用YAG固体激光器钻孔，孔径大小控制在300um，孔结构为穿孔；
7)将上述钻孔后的复合板加热到300℃，保温15min，然后弯折成特定形状的人工骨、人工关节；
8)将成型后的人工骨、人工关节在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为60℃的NaOH溶液中浸泡24h；
9)将碱处理后的材料轻轻润洗，浸入温度为40℃的饱和K2HPO4溶液中12h，再在1mol/L的CaCl2溶液中钙化处理4h。
图2是本发明实施例的多孔钛钽复合板结构示意图；
图3是本发明实施例的多孔钛钽人工椎体结构示意图；由图可知，其钽层厚度相对钛层较为轻薄，可以节省钽的用量，从而降低成本。
图4是本发明实施例的多孔钛钽经过碱加预钙化活化处理后的截面示意图，由图可知，在钽层的表面和穿孔的孔壁上均匀的附着有生物活性层。
图5是本发明实施例的多孔钛钽复合材料的界面结合SEM图像，由图可知，两种材料(即为钽层和钛合金层)结合方式为冶金结合。
图6是本发明制备方法制备的多孔钛钽复合材料在模拟体液中浸泡14天后的表面形貌，由图可知，复合材料表面生成一层纳米结构的羟基磷灰石。
总的来说，采用上述方法制备的医用金属植入物多孔钛钽人工骨、人工关节，钛和钽之间形成冶金结合过渡层，孔径大小为300μm，具有骨诱导效应，适合周围组织长入，以形成机械锁合。碱加预钙化处理后的复合材料表面，在人体内会自发形成羟基磷灰石层，使植入物与骨组织形成化学结合，结合更牢固，羟基磷灰石的纳米结构能促进骨细胞增殖、分化，加速愈合。同时，采用热轧复合和热成型相结合制备技术，工艺简单，可大规模生产，减少了昂贵的金属钽的用量，有利于降低产品的成本。
本发明中，变形率是指轧制时压下量占板材原始厚度的比例。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1：将钛合金片和纯钽片打磨，去除表面氧化层和油污，然后依次在丙酮、酒精、去离子水中进行超声清洗；
S2：将上述步骤S1处理后的钛合金片和纯钽片组装成轧坯，其组装方式为：将钛合金片和纯钽片进行贴合，然后利用钨极氩弧焊精密焊补机在侧面贴合处进行点焊；
S3：将步骤S2组装的轧坯加热至850℃～1050℃，保温20min～40min，加热和保温过程中都具有惰性气氛保护；
S4：将步骤S3保温结束后的轧坯进行单道次或多道次轧制，空冷后得到复合材料，多道次轧制总变形率为40％～80％，第一道次变形率不低于30％，轧制过程中，钛合金片与轧制压头之间、纯钽片与轧制压头之间均具有一层石墨片；
S5：将步骤S4所述复合材料在温度700℃～800℃的条件下进行热处理30min～60min，然后空冷至室温，以使钛和钽界面处形成均匀冶金结合过渡层；
S6：将热处理后的复合材料进行激光钻孔以获得穿孔，孔径大小在300μm～600μm；
S7：将钻孔后的复合材料加热到300℃～500℃，保温10min～20min，利用热成型技术制备成设定形状的人工骨或人工关节；
S8：将步骤S7获得的人工骨或人工关节依次进行碱处理和预钙化处理，使材料表面形成一层生物活性层，以提高生物相容性。
2.如权利要求1所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，上述步骤S8中，所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为50℃～70℃的NaOH溶液中浸泡20h～30h；
S82：将碱处理后的复合材料浸入温度为30℃～50℃的饱和K2HPO4溶液中10h～14h；
S83：在0.8mol/L～1.2mol/L的CaCl2溶液中钙化处理3h～5h。
3.如权利要求1所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，上述步骤S8中，所述碱处理和预钙化处理具体包括如下子步骤：
S81：将复合材料在浓度为0.3mol/L～0.7mol/L，温度为60℃的NaOH溶液中浸泡24h；
S82：将碱处理后的材料浸入温度为40℃的饱和K2HPO4溶液中12h，
S83：然后再在1mol/L的CaCl2溶液中钙化处理4h。
4.如权利要求1-3之一所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，上述步骤S3中，升温速率为100℃/min～140℃/min，优选为120℃/min。
5.如权利要求1所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将钛合金片和纯钽片依次采用400目、800目、1200目砂纸进行逐级打磨，以去除表面氧化层和油污。
6.如权利要求1所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，步骤S1中，钛合金片为TC4钛合金片。
7.如权利要求1所述的多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法，其特征在于，步骤S6中，激光钻孔所用的钻孔设备为YAG固体激光器。
8.如权利要求1-7之一方法制备获得的多孔钛钽人工骨、人工关节产品。
CN201710097639.XA 2017-02-22 2017-02-22 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品 Active CN106693069B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710097639.XA CN106693069B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710097639.XA CN106693069B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106693069A true CN106693069A (zh) 2017-05-24
CN106693069B CN106693069B (zh) 2019-05-07

Family

ID=58911942

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710097639.XA Active CN106693069B (zh) 2017-02-22 2017-02-22 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106693069B (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109172862A (zh) * 2018-11-15 2019-01-11 西北有色金属研究院 一种医用多孔钛钽复合材料
CN109602946A (zh) * 2018-12-25 2019-04-12 江苏理工学院 一种多孔钛合金表面构建功能化梯度复合涂层及其制备方法
CN110610046A (zh) * 2019-05-24 2019-12-24 中航迈特粉冶科技（北京）有限公司 医用多孔钽植入物及其制造方法
CN111569155A (zh) * 2020-06-04 2020-08-25 合肥工业大学 一种梯度结构钛钽层状复合材料及其制备方法
CN113183562A (zh) * 2021-05-27 2021-07-30 合肥工业大学 一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用
CN113289057A (zh) * 2021-05-19 2021-08-24 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 钽涂层骨科植入材料及其制备方法、骨科植入物
CN113715429A (zh) * 2021-04-14 2021-11-30 江苏大学 一种生物医用NiTiFe-Ta复合板材及其制备方法
CN114867498A (zh) * 2020-09-25 2022-08-05 北京华宇创新钽铌科技有限公司 具有多孔膜的骨骼植入物及其制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6027585A (en) * 1995-03-14 2000-02-22 The Regents Of The University Of California Office Of Technology Transfer Titanium-tantalum alloys
EP1046722A1 (en) * 1999-04-23 2000-10-25 Terumo Kabushiki Kaisha Ti-Zr type alloy and medical appliances formed thereof
CN104127913A (zh) * 2013-05-03 2014-11-05 中国科学院上海生命科学研究院 一种骨整合性改良的医用复合材料
CN104859218A (zh) * 2015-04-21 2015-08-26 杜双双 薄覆层金属复合板及其生产方法
CN104905893A (zh) * 2015-05-18 2015-09-16 江苏创发生物科技有限公司 一种抗感染钛钽骨植入物及其制备方法
CN105728492A (zh) * 2016-03-11 2016-07-06 华中科技大学 一种屈服强度大于700MPa的复合钢板及其制备方法
CN106102978A (zh) * 2014-04-01 2016-11-09 东洋钢钣株式会社 金属层叠材料的制造方法
CN106180729A (zh) * 2016-07-05 2016-12-07 中北大学 一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6027585A (en) * 1995-03-14 2000-02-22 The Regents Of The University Of California Office Of Technology Transfer Titanium-tantalum alloys
EP1046722A1 (en) * 1999-04-23 2000-10-25 Terumo Kabushiki Kaisha Ti-Zr type alloy and medical appliances formed thereof
CN104127913A (zh) * 2013-05-03 2014-11-05 中国科学院上海生命科学研究院 一种骨整合性改良的医用复合材料
CN106102978A (zh) * 2014-04-01 2016-11-09 东洋钢钣株式会社 金属层叠材料的制造方法
KR20160138985A (ko) * 2014-04-01 2016-12-06 도요 고한 가부시키가이샤 금속 적층재의 제조 방법
CN104859218A (zh) * 2015-04-21 2015-08-26 杜双双 薄覆层金属复合板及其生产方法
CN104905893A (zh) * 2015-05-18 2015-09-16 江苏创发生物科技有限公司 一种抗感染钛钽骨植入物及其制备方法
CN105728492A (zh) * 2016-03-11 2016-07-06 华中科技大学 一种屈服强度大于700MPa的复合钢板及其制备方法
CN106180729A (zh) * 2016-07-05 2016-12-07 中北大学 一种制备金属封装金属间化合物基叠层复合装甲的方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DANAIE MOHSEN ET AL: "Hydrogen storage in bulk Mg-Ti and Mg-stainless steel multilayer composites synthesized via accumulative roll-bonding (ARB)", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY》 *
TOSHIKAZU AKAHORI ET AL: "Effects of Ta content on Youngs modulus and tensile properties of binary Ti-Ta alloys for biomedical applications", 《MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING,A,STRUCTURAL MATERIALS,PROPERTIES,MISROSTRUCTURE AND PROCESSING》 *
李雪交等: "钛-钢爆炸压接-轧制复合板的研究", 《含能材料》 *
毕万君等: "钽涂层多孔钛合金支架的制备与表征", 《化工管理》 *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109172862A (zh) * 2018-11-15 2019-01-11 西北有色金属研究院 一种医用多孔钛钽复合材料
CN109602946A (zh) * 2018-12-25 2019-04-12 江苏理工学院 一种多孔钛合金表面构建功能化梯度复合涂层及其制备方法
CN110610046A (zh) * 2019-05-24 2019-12-24 中航迈特粉冶科技（北京）有限公司 医用多孔钽植入物及其制造方法
CN110610046B (zh) * 2019-05-24 2023-05-12 中航迈特粉冶科技（北京）有限公司 医用多孔钽植入物及其制造方法
CN111569155A (zh) * 2020-06-04 2020-08-25 合肥工业大学 一种梯度结构钛钽层状复合材料及其制备方法
CN114867498A (zh) * 2020-09-25 2022-08-05 北京华宇创新钽铌科技有限公司 具有多孔膜的骨骼植入物及其制备方法
CN113715429A (zh) * 2021-04-14 2021-11-30 江苏大学 一种生物医用NiTiFe-Ta复合板材及其制备方法
CN113289057A (zh) * 2021-05-19 2021-08-24 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 钽涂层骨科植入材料及其制备方法、骨科植入物
CN113289057B (zh) * 2021-05-19 2022-10-14 北京爱康宜诚医疗器材有限公司 钽涂层骨科植入材料及其制备方法、骨科植入物
CN113183562A (zh) * 2021-05-27 2021-07-30 合肥工业大学 一种梯度异构钛钽层状复合材料、制备方法及其应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN106693069B (zh) 2019-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106693069A (zh) 医用多孔钛钽人工骨、人工关节的制备方法及其产品
CN100572610C (zh) 等离子微弧氧化法制备羟基磷灰石生物陶瓷膜的方法
CN101461964B (zh) 一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法
CN101249279B (zh) 采用激光快速成形制备HA/Ti梯度生物活性材料的方法
CN106902390A (zh) 一种钛合金植入体复合材料及其制备与应用
CN102747403B (zh) 在医用钛合金表面制备掺镁羟基磷灰石/二氧化钛活性膜层的方法
EP3222748B1 (en) Medical porous tantalum metal material and preparation method therefor
CN106676604A (zh) 具有点阵结构多孔的钛或钛合金表面抑菌生物活性陶瓷膜的制备方法及其应用
CN108950305A (zh) 一种钛合金—羟基磷灰石盐生物陶瓷多孔材料的制备方法
CN106676605B (zh) 具有点阵结构多孔的纯钛或钛合金表面多孔生物活性陶瓷膜的制备方法及其应用
CN101994143A (zh) 一种钛合金/生物陶瓷层复合材料的制备方法
CN108297500A (zh) 颅颌面骨修复用可降解金属复合板及其制备方法
CN104562145A (zh) 一种复合氧化制备生物陶瓷膜的方法
CN108057133A (zh) 一种可再生镁基复合骨骼材料的制备方法
CN104911671A (zh) 一种钛合金表面复合氧化生物陶瓷膜的制备方法
CN112500150A (zh) 一种镁合金/生物陶瓷多孔支架及其制备方法和应用
CN108014369A (zh) 一种可再生钛基复合骨骼材料的制备方法
CN101555597A (zh) 一种镍钛合金表面氧化钛生物活性涂层的制备方法
CN104746120B (zh) 含有生物活性磷酸钙涂层的碳/碳复合材料及其制备方法
CN103898591A (zh) 一种直接制备含有羟基磷灰石的微弧氧化陶瓷膜的方法
CN101524559A (zh) 生物可降解纳米羟基磷灰石-镁金属基复合材料
CN106435690A (zh) 一种钛合金含锶生物涂层的微弧氧化溶液及其应用
CN103194781A (zh) 一种用于可降解镁合金的生物活性表面改性方法
CN103143056A (zh) 一种医用植入材料表面改性方法
CN103290455A (zh) 一种高生物活性的具有微/纳米双重结构的二氧化钛薄膜及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant