CN107639904B

CN107639904B - 一种医用金属复合材料

Info

Publication number: CN107639904B
Application number: CN201610578678.7A
Authority: CN
Inventors: 叶雷
Original assignee: Chongqing Runze Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Chongqing Runze Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 2016-07-21
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2036-07-21
Also published as: CN107639904A

Abstract

一种医用金属复合材料，包括金属基体、附着在金属基体上的多孔金属层，在多孔金属层与金属基体之间，有一金属过渡层，金属过渡层厚度不低于金属过渡层相邻的多孔金属层上多孔金属的孔腔壁厚的2倍，与金属过渡层相邻的金属基体表面加工后的表面硬度值是金属过渡层的硬度值的2倍以上，该种医用金属复合材料将多孔金属层产生的应力在低硬度的金属过渡层上缓冲释放，有效地减小了多孔金属层产生的应力对医用金属复合材料的不利作用，提高了医用金属复合材料的寿命。

Description

一种医用金属复合材料

技术领域

本发明涉及一种假体材料，具体涉及一种含有多孔金属层的金属复合材料。

背景技术

多孔金属作为一种兼具功能和结构双重属性的性能优异的新型工程材料，在冶金机械、石油化工、能源环保、国防军工、核技术和生物制药、医疗器械等行业得到了广泛应用。例如，多孔金属可用于吸能减震、消音降噪，如用于汽车的座椅、防冲档，用作滤音器；多孔金属可用于将气体或液体进行过滤与分离，从而达到介质的净化与分离作用；多孔金属可用于热交换器，效率很高；多孔金属如泡沫镍、泡沫铜可作为优秀的电极材料，适用于各种蓄电池、燃料电池和太阳能电池；多孔金属如多孔钛、多孔钽、多孔铌、多孔不锈钢等可用作假体材料，如骨植入物、牙齿等。

在用作假体材料时，多孔金属常作为一多孔层附着在金属基体上，多孔金属由于非致密的特点，会对所附着的金属基体产生影响，特别是载荷较重的金属基体。专利US2002/0120344A1《具有加强筋的股骨柄假体》指出，同样基体尺寸的金属股骨柄，具有多孔层的金属股骨柄的疲劳寿命低于无多孔层的金属股骨柄，这是因为多孔层在金属股骨柄基体与多孔层间有尖角，会产生应力，从而降低金属股骨柄的疲劳寿命，但如何减小多孔层应力对金属基体的不利影响，US2002/0120344A1并未给出技术方案。

发明内容：

本发明的目的是提供一种寿命更长的医用金属复合材料。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种医用金属复合材料，包括金属基体、附着在金属基体上的多孔金属层，在多孔金属层与金属基体之间，有一金属过渡层，金属过渡层厚度不低于金属过渡层相邻的多孔金属层上多孔金属的孔腔壁厚度的2倍，与金属过渡层相邻的金属基体表面加工后的表面硬度值是金属过渡层的硬度值的2倍以上。低硬度及2倍于多孔金属的孔腔壁厚度的金属过渡层可以有效吸收、缓冲释放多孔金属产生的应力，并使得基体免于受到应力作用，从而达到延长该材料的使用寿命的目的。

进一步说，为了更好地吸收、缓冲释放多孔金属产生的应力，发明人选择2倍以上于金属基本的延伸率的金属过渡层以进一步提高复合材料的使用寿命。

进一步说，为了更进一步提高复合材料的使用寿命，所述的医用金属复合材料，所述的多孔金属层中与金属过渡层相邻的多孔金属，自多孔金属层与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属的孔腔壁厚度为其他部位腔壁厚度的2倍以上。

进一步说，为了更进一步提高复合材料的使用寿命，所述的医用金属复合材料，所述的多孔金属层的孔是均匀的。

进一步说，所述的医用金属复合材料，所述的自多孔金属层中与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属的孔是均匀的。

进一步说，所述的医用金属复合材料，所述的多孔金属层的孔是均匀的是指在多孔金属层上任取的多个体积不大于1立方毫米的相同大小的三维体，分别称其质量，得到它们质量的平均值，而任一三维体质量相对于质量平均值的偏差绝对值不大于三维体质量平均值的4%。

进一步说，所述的医用金属复合材料，所述的自多孔金属层中与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属的孔是均匀的是指在自多孔金属层中与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属上任取的多个体积不大于1立方毫米的相同大小的三维体，分别称其质量，得到它们质量的平均值，而任一三维体质量相对于质量平均值的偏差绝对值不大于三维体质量平均值的4%。

进一步说，为了进一步降低多孔金属层产生的应力，所述的医用金属复合材料，所述的与金属过渡层相连接的多孔金属层的孔的腔壁与金属过渡层平行。

进一步说，为了进一步降低多孔金属层与金属过渡层对金属基体的应力，延长复合材料的使用寿命，所述的医用金属复合材料，至少与金属过渡层相邻的多孔金属层的多孔金属的孔的孔型是球形的。

进一步说，所述的医用金属复合材料，所述的金属基体表面的加工为喷丸，可提高金属基体表面的硬度，从而进一步提高复合材料抵御应力作用的能力。

本发明的有益效果：本发明通过在多孔金属层与金属基体之间设置金属过渡层，且金属过渡层厚度不低于金属过渡层相邻的多孔金属的孔腔壁厚的2倍，与金属过渡层相邻的金属基体表面加工后的表面硬度值是金属过渡层的硬度值的2倍以上，该种厚度及低硬度的金属过渡层可以有效地吸收、缓冲释放多孔金属层产生的应力，有效地减小了多孔金属层产生的应力对医用金属复合材料的破坏作用，从而提高了医用金属复合材料的寿命，所制备的假体的寿命得到提高。

本发明通过对金属过渡层塑性性能进行优化选择，2倍以上于金属基本的延伸率的金属过渡层可以进一步提高复合材料的使用寿命。

本发明通过对多孔金属层的孔腔壁厚优化选择来降低多孔金属层与金属过渡层交界处的应力，从而提高金属复合材料的使用寿命。为了进一步降低多孔金属层与金属过渡层交界面处的腔壁应力峰值，减小应力破坏性，多孔金属层的孔均匀为佳，至少自多孔金属层中与金属过渡层交界面起2个孔单元厚度的多孔金属的孔是均匀的。而且尤以在多孔金属层上任取的多个体积不大于1立方毫米的相同大小的三维体，分别称其质量，得到它们质量的平均值，而任一三维体质量相对于质量平均值的偏差绝对值不大于三维体质量平均值的4%为更佳，因为这样的均匀性，更能降低多孔金属层与金属过渡层交界面处的腔壁应力峰值，从而提高复合材料的使用寿命。

本发明采用将与金属过渡层相连接的多孔金属层的孔的腔壁与金属过渡层平行设置，能更有效地降低应力对复合材料的破坏，提高复合材料的使用寿命。

本发明采用至少与金属过渡层相邻的多孔金属层的多孔金属的孔的孔型是球形的，可以有效地降低多孔金属层与金属过渡层对金属基体的应力问题，延长复合材料的使用寿命。

本发明的金属基体表面的加工为喷丸提高金属基体表面的硬度，从而进一步提高复合材料抵御应力作用的能力。

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述医用金属复合材料的结构示意图；

图2为本发明实施例4的结构示意图；

图3为本发明实施例5的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施方式。在不脱离和改变本发明上述技术思想情况下，根据本领域的普通技术知识和/或惯用手段，显然还可以做出多种形式的替换或变更，并均应包括在本发明的范围之内。

如图所示，1为多孔金属层，2为金属基体，3为金属过渡层，4为实施例4中医用金属复合材料的多孔金属层中与金属过渡层相邻的多孔金属，其中4-1为孔的腔壁，4-2为孔，5为实施例4中多孔金属层中的与金属过渡层相邻的2个孔单元厚度之外的多孔金属部分，其中5-1为孔的腔壁，5-2为孔；6为实施例5中医用金属复合材料的多孔金属层的一个孔的单元，其中6-1为孔的单元的腔壁，6-2为孔。

以下详细给出本发明的实施例：

实施例1

本实施例的医用金属复合材料的多孔金属层为多孔铌，孔隙率为75%，孔径为500μm±20μm，孔腔壁厚度为150μm±10μm，用泡沫浸渍法制备。金属基体为钴合金CoNiCrMo，在金属基体与多孔金属层之间加一层铌过渡层，铌过渡层厚度为360μm，是多孔金属的孔腔壁厚的2.4倍，该过渡层用退火铌箔，用GBT231.3-2012金属材料布氏硬度试验测硬度，退火铌箔硬度为布氏735MPa，与铌过渡层相邻的金属基体表面硬度为布氏1545MPa，是过渡层硬度的2.1倍。铌过渡层与金属基体钴合金CoNiCrMo的连接方法为：用机械研磨对将与金属基体结合的铌箔的表面进行处理，然后用扩散焊将铌箔焊接到金属基体上，压力取15MPa，温度取500℃，时间为80min。多孔铌与铌过渡层的连接采用钎焊。

按照GB/T3075-1982金属轴向疲劳试验方法对本实施例的医用金属复合材料及同样材料但无金属过渡层的对比金属复合材料进行压缩疲劳对比试验，受力方向和金属过渡层与多孔金属层的交界面平行，结果表明，本实施例的医用金属复合材料破坏前的循环次数是对比金属复合材料的3.5倍。

该种医用金属复合材料可用于骨植入物。

实施例2

本实施例的医用金属复合材料的多孔金属层为多孔钽，孔隙率为80%，孔径为500μm±15μm，腔壁厚度为130μm±8μm，用泡沫浸渍法制备，金属基体为钛合金TC4，在金属基体与多孔金属层之间加一层金属过渡层，材料为金属纯钛，即纯钛的金属过渡层，将与纯钛过渡层相邻的金属基体表面用喷丸处理，采用气动式数控喷丸设备，喷丸参数为：振动频率48Hz，喷射距离100mm，喷射速率60mm/min，喷射时间60min，弹丸直径1.5mm；纯钛过渡层厚度为265μm，是多孔金属的孔腔壁厚的2.04倍，该过渡层用退火纯钛箔，根据GB4342-84金属显微维氏硬度试验方法测试硬度，退火纯钛箔显微硬度为HV210，与纯钛过渡层相邻的金属基体表面显微硬度为HV570，是过渡层硬度的2.7倍。根据GB/T228.1-2002拉伸试验方法测试延伸率，纯钛过渡层材料的延伸率为25%，是金属基体钛合金TC4延伸率的2.5倍。纯钛过渡层与金属基体钛合金TC4的连接方法为：用机械研磨对将与金属基体结合的纯钛箔的表面进行处理，然后用扩散焊将纯钛箔焊接到金属基体上，压力取15MPa，温度取400℃，时间为60min。多孔钛与纯钛过渡层的连接采用钎焊。

按照GB/T3075-1982金属轴向疲劳试验方法对本实施例的医用金属复合材料及同样材料但无金属过渡层、未对金属基体表面进行喷丸加工的对比金属复合材料进行压缩疲劳对比试验，受力方向和金属过渡层与多孔金属层的交界面平行，结果表明，本实施例的医用金属复合材料破坏前的循环次数是对比金属复合材料的3.7倍。

该种医用金属复合材料可用于制备骨植入物。

实施例3

本实施例的医用金属复合材料的多孔金属层为多孔钛，孔隙率为70%，孔径为450μm±15μm，孔腔壁厚度为120μm±8μm，该多孔钛采用了造孔剂法烧结制备，造孔剂采用了球型尿素颗粒，所制备的多孔钛的孔型是球型的，多孔钛的孔是均匀的，在该种多孔钛材料上任取10件1mm³的相同尺寸的三维体，用梅特勒-托利多XP26 Microbalance天平测试其质量，结果表明，其质量偏差最大为3.7%，小于4%。金属基体材料与加工，金属过渡层，金属过渡层与金属基体的连接方法、金属过渡层与多孔金属层的连接方法与实施例2相似。

参照实施例2进行压缩疲劳对比试验，结果表明，本实施例的医用金属复合材料破坏前的循环次数是对比金属复合材料的4.2倍。

该种医用金属复合材料可用于骨植入物。

实施例4

本实施例的医用金属复合材料的多孔金属层为多孔不锈钢316L，用选择性激光熔化SLM方法制备，激光功率300W，扫描速度500mm/s，层厚为0.03 mm，任一孔单元为12个相同的腔壁围成一体，类似正方体，体内为孔。参见图2，与金属过渡层2表面相邻的两个孔单元厚H（2440μm）的多孔金属4的腔壁4-1厚度为280μm，长800μm，与金属过渡层2相邻的2个孔单元厚度2440μm之外的多孔金属部分5的腔壁厚度为130μm，与金属过渡层2表面相邻的两个孔单元厚度的多孔金属腔壁4-1厚度为多孔金属部分5腔壁5-1厚度的2.15倍。所述的多孔金属4的与金属过渡层2相连的4个腔壁4-1与金属基体3表面平行，在与金属过渡层2表面相邻的两个孔单元厚度2440μm的多孔金属材料上任取10件1mm³的相同尺寸的三维体，用梅特勒-托利多XP26 Microbalance天平测试其质量，结果表明，其质量偏差最大为3.8%，小于4%。在选择性激光熔化快速成型时实现多孔金属层1与金属过渡层2的连接，其他与实施例2相似。

参照实施例2进行压缩疲劳对比试验，结果表明，本实施例的医用金属复合材料破坏前的循环次数是对比金属复合材料的5.5倍。

该种医用金属复合材料可用于骨植入物。

实施例5

本实施例与实施例4相似，不同之处为多孔金属层1为多孔钛，采用电子束熔融快速成型设备ARCAM EBM A1，以纯钛粉末为金属原料，进行快速成型制造，参见图3，设计任一孔单元6为四个相同的腔壁6-1围成一体，类似四面体，体内为孔6-2，其中与金属过渡层2表面相邻的两个孔单元厚度的多孔金属材料的孔的腔壁6-1厚度为250μm，长800μm，其余腔壁厚度为120μm，与金属过渡层表面相邻的两个孔单元厚度的多孔金属材料的孔的腔壁6-1腔壁厚度为其余部分多孔金属材料孔的腔壁厚度的2.08倍。所述的孔单元6的三个腔壁6-1与金属基体表面平行，在电子束熔融快速成型时实现多孔金属层与金属过渡层的连接，其他与实施例2相似。

参照实施例2进行压缩疲劳对比试验，结果表明，本实施例的医用金属复合材料破坏前的循环次数是对比金属复合材料的5.2倍。

该种医用金属复合材料可用于骨植入物。

Claims

1.一种医用金属复合材料，包括金属基体、附着在金属基体上的多孔金属层，其特征是，在多孔金属层与金属基体之间，有一金属过渡层，金属过渡层厚度不低于金属过渡层相邻的多孔金属层上多孔金属的孔腔壁厚度的2-2.04倍，与金属过渡层相邻的金属基体表面加工后的表面硬度值是金属过渡层的硬度值的2-2.7倍；所述的多孔金属层中与金属过渡层相邻的多孔金属，自多孔金属层与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属的孔腔壁厚度为其他部位腔壁厚度的2倍以上；所述多孔金属层为多孔钽，用泡沫浸渍法制备，金属基体为钛合金，在金属基体与多孔金属层之间加一层金属过渡层，金属过渡层为金属纯钛，将与纯钛过渡层相邻的金属基体表面用喷丸处理。

2.如权利要求1所述的医用金属复合材料，其特征在于：所述金属过渡层的延伸率是金属基体延伸率的2-2.5倍。

3.如权利要求1或2所述的医用金属复合材料，其特征在于：自多孔金属层中与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属的孔是均匀的。

4.如权利要求3所述的医用金属复合材料，其特征在于：多孔金属层的孔是均匀的是指在自多孔金属层中与金属过渡层交界面起至少2个孔单元厚度的多孔金属上任取的多个体积不大于1立方毫米的相同大小的三维体，分别称其质量，得到它们质量的平均值，而任一三维体质量相对于质量平均值的偏差绝对值不大于三维体质量平均值的4%。