CN109778007B

CN109778007B - 一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料及其制备方法

Info

Publication number: CN109778007B
Application number: CN201910191780.5A
Authority: CN
Inventors: 庞兴志; 杨剑冰; 韩杰; 湛永钟; 胡治流; 庞明君; 赵艳君; 许征兵
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109778007A

Abstract

本发明公开了一种Ti‑Cr‑Sn合金骨科材料及其制备方法，所述骨科材料按重量百分比计各化学成分为：Cr 1.5％‑3.0％、Sn 0.5‑1.5％、Co 0.3‑0.8％、Cu 1‑3％、Ce 0.2‑0.5％、Y 0.5‑1.0％、Ca 0.3‑0.8％、Se 1‑3％，余量为Ti。本发明提供的合金骨科材料不仅能够制备出力学性能优异、耐腐蚀性能好、生物相容性优异、无毒副作用的骨科材料，还能促进骨组织愈合，具有很好的抗菌消炎作用。

Description

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用材料技术领域，具体是一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料及其制备方法。

背景技术

在医用骨修复和骨植入材料中，不锈钢、钛合金因其优良的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能成为应用广泛的材料。但现有的不锈钢和钛合金骨科的力学性能与骨组织匹配性不好，特别是弹性模量，例如：不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金的弹性模量约为100GPa，而骨组织的弹性模量约为10-40GPa。因此，植入体承担了几乎全部载荷。这样在使用过程中会造成“应力屏蔽”，导致植入体周围的骨组织出现萎缩或疏松现象。同时，不锈钢和钛合金骨钉、骨板等植入体在骨组织痊愈后，需要后续的手术将其从人体中取出，增加了患者的痛苦和经济负担。

理想的骨科植入物应该具有促进成骨的生物功能，这样就能实现骨组织与植入物界面在机械与生物两方面实现更完美的结合，进而加快骨生长过程，促进骨重建及修复。同时，骨的形成与丰富的血供密不可分。血液可以为骨组织提供丰富的营养物质、运送生长因子、生化信号等，并且能够将其产生的废物通过血液排出。因此，如果植入物自身同时具有成骨及血管生成的生物医学功能(活性)，无疑将会大大提升骨组织的修复能力和速度，缩短骨重建及修复时间，增强植入材料与骨组织的整合强度。因此，当今需要一种与人体相容性好、能缩短骨组织修复时间的钛合金材料是市场的需求。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明目的在于提供一种力学性能好、耐腐蚀、生物相容性好、与骨组织无排异作用、、无毒副作用、能促进骨组织快速愈合、具有抗菌消炎作用的骨科材料及其制备方法。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料，按重量百分比计各化学成分为：Cr 1.5％-3.0％、Sn0.5-1.5％、Co 0.3-0.8％、Cu 1-3％、Ce 0.2-0.5％、Y 0.5-1.0％、Ca 0.3-0.8％、Se 1-3％，余量为Ti。

优选的，所述骨科材料各组分的百分含量为：Cr 2.2％、Sn 1.0％、Co 0.6％、Cu2.5％、Ce 0.3％、Y 0.8％、Ca 0.6％、Se 2.1％和88.9％Ti。

本方案所述Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照上述配比称取各原料，粉碎至40-80目后，混合均匀，得混合物料；

(2)将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，将升温200-250℃保温30-60min，然后再升温至550-600℃保温20-30min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

(3)将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在惰性气体保护下进行激光重熔处理。

优选的，所述激光重熔为二次或三次重熔。

优选的，步骤(2)的升温速率为5-10℃/min。

优选的，所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为200～500W，扫描速度V为10～50mm/min，光斑直径D为0.8～3mm，搭接率M为30～60％，焦距H为180～220mm。

优选的，所述惰性气体为氩气，流量为10-20L/min。

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果为：

1、本发明在钛合金中掺入Cr、Sn、Co、Cu、Ce等元素，不仅能够制备出力学性能优异、耐腐蚀性能好、生物相容性优异、无毒副作用的骨科材料，还能促进骨组织愈合，具有很好的抗菌消炎作用。

2、本发明加入Cu、Ce、Y元素，由于三者的协调作用使得钛合金材料具有更好的抗菌消炎作用，快速促进骨组织愈合。

3、本发明加入Ca和Se，Ca能够提高钛合金耐腐蚀性能和力学性能，同时还能促进骨组织的生长，加入的Se是人体必需的元素，能够提高患者机体的免疫力，快速骨组织的生长。

4、本发明烧结得到的钛合金基体经过多次激光重熔处理，使得能够提高合金表面的光洁度，减少气孔的缺陷，进一步提高合金的硬度、强度和耐腐蚀性。

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。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

实施例1

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料，按重量百分比计各化学成分为：Cr 1.8％、Sn0.8％、Co 0.6％、Cu 1.6％、Ce 0.5％、Y 0.75％、Ca 0.6％、Se 3％，余量为Ti。

(1)按照上述配比称取各原料，粉碎至60目后，混合均匀，得混合物料；

(2)将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，以10℃/min的升温速率升温至250℃保温45min，然后再升温至550℃保温25min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

(3)将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在氩气气体保护下进行激光二次重熔处理。所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为350W，扫描速度V为30mm/min，光斑直径D为2mm，搭接率M为55％，焦距H为180mm，氩气流量为20L/min。

实施例2

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料，按重量百分比计各化学成分为：Cr 3.0％、Sn0.5％、Co 0.5％、Cu 2.5％、Ce 0.2％、Y 0.8％、Ca 0.5％、Se 1.8％，余量为Ti。

(2)将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，以5℃/min的升温速率升温至200℃保温30min，然后再升温至600℃保温20min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

(3)将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在氩气气体保护下进行激光二次重熔处理。所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为200W，扫描速度V为15mm/min，光斑直径D为1mm，搭接率M为40％，焦距H为200mm，氩气流量为15L/min。

实施例3

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料，按重量百分比计各化学成分为：Cr 2.2％、Sn1.0％、Co 0.6％、Cu 2.5％、Ce 0.3％、Y 0.8％、Ca 0.6％、Se 2.1％和88.9％Ti。

(1)按照上述配比称取各原料，粉碎至80目后，混合均匀，得混合物料；

(2)将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，以10℃/min的升温速率升温至250℃保温60min，然后再升温至550℃保温30min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

(3)将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在氩气气体保护下进行激光二次重熔处理。所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为500W，扫描速度V为30mm/min，光斑直径D为3mm，搭接率M为50％，焦距H为200mm，氩气流量为20L/min。

实施例4

一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料，按重量百分比计各化学成分为：Cr 3.0％、Sn0.6％、Co 0.4％、Cu 1.5％、Ce 0.4％、Y 0.6％、Ca 0.4％、Se 3％,余量为Ti。

(2)将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，以8℃/min的升温速率升温至200℃保温45min，然后再升温至600℃保温25min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

(3)将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在氩气气体保护下进行激光二次重熔处理。所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为300W，扫描速度V为20mm/min，光斑直径D为1.5mm，搭接率M为45％，焦距H为200mm，氩气流量为20L/min。

对比例

本对比例与实施例3的不同之处在于：不经过步骤(3)的激光重熔处理。

将以上实施例和对比例制得的钛合金材料按照常规的方法进行力学性能的测试，抑菌试验按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T21510-2008《纳米无机材料抗菌性能检测方法》”等标准规定，测试结果如表1所示。

表1：本发明Ti-Cr-Sn合金骨科材料的性能测试结果

从上述结果得知，本发明制备的钛合金材料具有优异的力学性能、很好的相容性和抗菌消炎效果。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，其特征在于：所述骨科材料按重量百分比计各化学成分为：Cr 1.5%-3.0%、Sn 0.5-1.5%、Co 0.3-0.8%、Cu 1-3%、Ce 0.2-0.5%、Y0.5-1.0%、Ca 0.3-0.8%、Se 1-3%，余量为Ti；

其制备方法，包括如下步骤：

（1）按照上述配比称取各原料，粉碎至40-80目后，混合均匀，得混合物料；

（2）将混合物料置于放电等离子烧结系统中，在真空度5-10Pa的条件下，将升温200-250℃保温30-60min，然后再升温至550-600℃保温20-30min后，进行放电等离子烧结，烧结完成后随炉冷却至常温，获得钛合金基体；

（3）将钛合金基体固定在半导体激光设备的工作台上，在惰性气体保护下进行激光重熔处理；所述激光重熔的工艺参数为：激光功率P为200～500W，扫描速度V为10～50mm/min，光斑直径D为0.8～3mm，搭接率M为30～60%，焦距H为180～220mm。

2.根据权利要求1所述Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，其特征在于：所述激光重熔为二次或三次重熔。

3.根据权利要求1所述Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）的升温速率为5-10℃/min。

4.根据权利要求1所述Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氩气，流量为10-20L/min。

5.根据权利要求1所述Ti-Cr-Sn合金骨科材料的制备方法，其特征在于：所述骨科材料各组分的百分含量为：Cr 2.2%、Sn 1.0%、Co 0.6%、Cu 2.5%、Ce 0.3%、Y 0.8%、Ca 0.6%、Se2.1%和88.9%Ti。