CN110669979A - 一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110669979A CN110669979A CN201910892614.8A CN201910892614A CN110669979A CN 110669979 A CN110669979 A CN 110669979A CN 201910892614 A CN201910892614 A CN 201910892614A CN 110669979 A CN110669979 A CN 110669979A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mesoporous carbon
- iron
- composite material
- based composite
- powder
- 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
Links
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 179
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 95
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 79
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 9
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims abstract description 35
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 16
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 15
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims abstract description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 claims description 11
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 9
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 238000004886 process control Methods 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 abstract description 22
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 abstract description 22
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 19
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 19
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 abstract description 8
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical group [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 239000011575 calcium Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 abstract description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 239000012620 biological material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 239000012890 simulated body fluid Substances 0.000 description 7
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 4
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 4
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 4
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;fluoride;triphosphate Chemical compound [F-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZQBZAOZWBKABNC-UHFFFAOYSA-N [P].[Ca] Chemical compound [P].[Ca] ZQBZAOZWBKABNC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- FLKPEMZONWLCSK-UHFFFAOYSA-N diethyl phthalate Chemical compound CCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC FLKPEMZONWLCSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 2
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 230000011164 ossification Effects 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DKMROQRQHGEIOW-UHFFFAOYSA-N Diethyl succinate Chemical compound CCOC(=O)CCC(=O)OCC DKMROQRQHGEIOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102000001554 Hemoglobins Human genes 0.000 description 1
- 108010054147 Hemoglobins Proteins 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- MWKXCSMICWVRGW-UHFFFAOYSA-N calcium;phosphane Chemical compound P.[Ca] MWKXCSMICWVRGW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000012377 drug delivery Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910001448 ferrous ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000011132 hemopoiesis Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 239000011630 iodine Substances 0.000 description 1
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 iron ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000956 nontoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 210000001539 phagocyte Anatomy 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000012779 reinforcing material Substances 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
- C22C33/0264—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements the maximum content of each alloying element not exceeding 5%
- C22C33/0271—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements the maximum content of each alloying element not exceeding 5% with only C, Mn, Si, P, S, As as alloying elements, e.g. carbon steel
-
- 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
- A61L27/40—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
- A61L27/42—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having an inorganic matrix
- A61L27/427—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having an inorganic matrix of other specific inorganic materials not covered by A61L27/422 or A61L27/425
-
- 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
-
- 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
- A61L27/58—Materials at least partially resorbable by the body
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/10—Sintering only
- B22F3/11—Making porous workpieces or articles
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
本发明涉及一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用，属于生物材料设计制备技术领域，所述铁基复合材料包括铁基体和介孔碳；其制备方法为：通过球磨混合铁粉和介孔碳粉后，采用激光选区熔化技术得到介孔碳增强的铁基复合材料。一方面，利用介孔碳与铁基体形成电偶腐蚀从而加速降解速率；另一方面利用介孔碳良好的吸附性能促进基体表面钙磷沉积，从而提高生物活性。本发明所制备的铁基复合材料具有良好的力学性能、合适的降解速率以及优异的生物活性，能够满足人体骨植入物应用需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用，属于生物材料设计制备技术领域。
背景技术
铁金属具有优异的力学性能，植入体内后能提供足够的力学结构支撑。同时，铁在人体环境中可逐渐降解，产生的铁离子是人体必需的微量元素，在人体中扮演着输送氧、参与造血过程与人体新陈代谢等诸多功能。铁在人体内主要通过电化学腐蚀的形式降解，但其化学电位较高(-0.44V)，在体内环境中降解速率太慢，与新骨组织生长速率不匹配。此外，铁金属还存在生物活性不足、成骨能力有限等缺陷。因此，如何在加快铁金属的降解速率，同时提高其生物活性，成为其在骨修复中应用的关键。
发明内容
针对现有技术中铁基合金作为骨植入物降解过慢、生物活性有限及成骨能力不足等问题，本发明的目的在于提供一种具有合适降解速度、生物矿化能力的符合骨植入物需求的一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法及应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种介孔碳增强铁基复合材料，由铁基体以及均匀分散于铁基体中的介孔碳组成；所述介孔碳在铁基复合材料中的质量分数为0.5-2wt.％。
本发明首创的提供了一种介孔碳增强铁基复合材料，介孔碳粉末比表面积和孔体积分别高达2500m2/g和2.25cm3/g，发明人发现巨大的比表面积和高的孔隙率赋予了介孔碳优异的吸附性能，能作为钙磷形核位点加速表面类骨磷灰石的形成，促进骨组织的界面键合。同时介孔碳和铁之间的高电位差，形成强的电偶腐蚀效应来加速铁基体的降解，同时还利用介孔碳良好的导电性能降低了电偶腐蚀中的电荷转移阻抗，从而增大了腐蚀电流密度；此外，介孔碳巨大的比表面积能与铁基体充分接触，形成更多的腐蚀位点，从而加快铁基体的降解。
在本发明中，介孔碳的含量需要有效控制，若含量过高，介孔碳将不可避免的出现团聚，影响的铁基合金的成型，而过少，则无法使铁基复合材料达到所需的降解速率。
在实验探索过程中，发明人也尝试了包括大孔活性碳、微孔活性碳、石墨烯等在内的其他碳材料作为铁基增强材料，然而仅采用本发明介孔碳对铁基复合材料进行增强时对铁基体的生物活性、力学性能、腐蚀性能等均具有大幅的改善，取得了意料之外的效果。
优选的方案，所述介孔碳在铁基复合材料中的质量分数为1-2wt.％。
优选方案所提供的铁基复合材料，具有合适的降解速率和优异的生物活性。
优选的方案，所述介孔碳增强铁基复合材料由介孔碳粉末和纯铁粉末混合后，经激光选区熔化成形。
本发明一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一
按设计比例配取介孔碳粉末和纯铁粉末；在保护气氛下球磨，球磨过程中加入绝对酒精作为过程控制剂，并控制球磨转速为300-500r/min，球磨时间为2-6h；获得介孔碳/铁混合粉末；
步骤二
将步骤一所得介孔碳/铁混合粉末，经激光选区熔化成形即获得介孔碳增强铁基复合材料，所述激光选区熔化成形时，控制激光功率为80-125W，扫描速度为120-200mm/s。
本发明采用特定的球磨工艺和选区激光熔化工艺参数，能够保证其介孔碳的活性和介孔通道的完整性，避免成形过程中介孔结构的破坏。巨大的比表面积和高的孔隙率赋予了介孔碳优异的吸附性能，能作为钙磷形核位点加速表面类骨磷灰石的形成，促进骨组织的界面键合，获得适合骨植入的介孔碳增强铁基复合材料。
优选的方案，所述介孔碳的电导率为0.25-0.35S/cm，粒径为1-5μm。
在本发明中，介孔碳的性能对所得介孔碳/铁混合粉末的性能具有一定的影响，如介孔碳的电导率过小则会加大基体的电荷转移阻抗，减小腐蚀电流密度，不利于腐蚀速率的提升。而介孔碳粒径过大则会在晶界析出大尺寸的颗粒，与周围的晶粒形成电偶腐蚀对，在颗粒周围形成严重的点腐蚀，最终导致植入物提前失效。介孔碳粒径过小则难以实现均匀分散，易因转速过慢导致出现团聚现象，因转速过快而引入杂质或导致介孔结构破坏。
优选的方案，所述铁粉的粒径17-51μm。
优选的方案，所述球磨转速为300-400r/min，球磨时间为3-5h。
在本发明中，球磨转速尤其要有效控制，球磨转速过小，时间过短，介孔碳材料都无法获得充分的分散，而球磨转速过快，则会破坏介孔碳的结构。
同时，在本发明的球磨过程中，必须添加绝对酒精作为过程控制剂，否则会在球磨过程中因高转速导致温度过高，破坏介孔碳结构，而在球磨过程中加入绝对酒精后，可降低球磨过程中的温升、缓解冷焊的同时提高材料的分散性。
在实际操作过程中，由于直接购买的无水乙醇不可避免的还有少量水，无水乙醇的纯度通常不大于99.7％，因此本发明需要预先将无水乙醇脱水处理，获得绝对乙醇(绝对酒精)再使用；处理方法采用现有技术中常规方法即可，如将镁条(镁粉)与碘一起加入无水乙醇中，先加热回流至反应完全，再蒸馏得绝对乙醇，或者将用钠与无水乙醇反应，再加邻苯二甲酸二乙酯(或丁二酸二乙酯)，先回流，再蒸馏得绝对乙醇。
优选的方案，所述介孔碳/铁混合粉末中，介孔碳的质量分数为0.5-2wt.％。
作为进一步的优选，所述介孔碳/铁混合粉末中，介孔碳的质量分数为1-2wt.％。
优选的方案，所述激光选区熔化成形时，控制激光功率为90-100W，进一步优选为100W。
优选的方案，所述激光选区熔化成形时，控制扫描速度为150-180mm/s、进一步优选为150mm/s。
优选的方案，所述激光选区熔化成形时，激光光斑直径为60-80μm。
优选的方案，所述激光选区熔化成形时，单层铺粉厚度为55-65μm，进一步优选为60μm。
本发明一种介孔碳增强铁基复合材料的应用，将所述介孔碳增强铁基复合材料应用于骨植入材料。
与现有技术相比，本发明优点如下：
(1)本发明中，所述导电性好的介孔碳分散在铁基体中，形成微电偶腐蚀对，并且介孔碳低的电荷转移阻抗能增大腐蚀电流密度，从而提高了所述铁基合金植入物的降解速率。
(2)本发明中，所述比表面积大的介孔碳分散在铁基体中，能够与铁基体形成大量的电偶腐蚀接触点，与其他方法相比，增多了电偶腐蚀对数量。
(3)本发明中，所用介孔碳巨大的比表面积和孔体积有利于类骨磷灰石的沉积与蛋白质的黏附，能够为铁基合金表面提供形核位点，促进铁基合金的生物矿化。
(4)本发明中，所述铁基合金植入物的降解产物对人体没有毒性，比如降解后的二价铁离子能够与血红蛋白结合，参与氧气的运输；所述介孔碳常作为靶向给药的载体，降解后能够被人体内的吞噬细胞溶解，并随着人体新陈代谢排出体外。
附图说明
图1实施例1所得介孔碳增强铁基复合材料的微观形貌图。
图2实施例3所得介孔碳增强铁基复合材料的微观形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的具体实施方式进行阐述：
实施例1
称量1g介孔碳粉末，其电导率为：0.3S/cm，平均粒径为3μm，和99g平均粒径为35μm的纯铁粉末，在保护(氮气)气氛作用下在球磨机中进行湿法球磨，以干酒精为球磨介质以转速350r/min球磨4小时得到均匀分散的铁/介孔碳混合粉末。在高纯氩气保护、激光功率100W、扫描速度150mm/s、铺粉厚度60μm条件下经熔化冷却凝固后得到铁/介孔碳植入物。
微观组织观察发现，介孔碳均匀分散在铁基体中，力学测试表明极限压缩强度230Mpa。
在模拟体液中浸泡30天后，计算得到降解速率为0.21mm/year，同时表面覆盖大量的钙磷产物，表面其具有良好的生物活性。
实施例2
称量0.5g介孔碳粉末，其电导率为：0.3S/cm，平均粒径为3μm和99.5g平均粒径为35μm的纯铁粉末，在保护(氩气)气氛作用下在球磨机中进行湿法球磨，以干酒精为球磨介质以转速350r/min球磨4小时得到均匀分散的铁/介孔碳混合粉末。在高纯氩气保护、激光功率100W、扫描速度150mm/s、铺粉厚度60μm条件下经熔化冷却凝固后得到铁/介孔碳植入物。
微组织观察发现，介孔碳均匀分散在铁基体中，力学测试表明极限压缩强度210Mpa。
在模拟体液中浸泡30天后，计算得到降解速率为0.17mm/year，同时表面覆盖大量的钙磷产物，表面其具有良好的生物活性。
实施例3
称量2g介孔碳粉末，其电导率为：0.3S/cm，，平均粒径为3μm和95g平均粒径为35μm的纯铁粉末，在保护(氩气)气氛作用下在球磨机中进行湿法球磨，以干酒精为球磨介质以转速350r/min球磨4小时得到均匀分散的铁/介孔碳混合粉末。在高纯氩气保护、激光功率100W、扫描速度150mm/s、铺粉厚度60μm条件下经熔化冷却凝固后得到铁/介孔碳植入物。
微观组织观察发现，介孔碳均匀分散在铁基体中，力学测试表明极限压缩强度204Mpa。
在模拟体液中浸泡30天后，计算得到降解速率为0.18mm/year，同时表面覆盖大量的钙磷产物，表面其具有良好的生物活性。
实施例4
称量1g介孔碳粉末，电导率为：0.3S/cm，平均粒径为3μm和99g平均粒径为35μm的纯铁粉末，在保护(氩气)气氛作用下在球磨机中进行湿法球磨，以干酒精为球磨介质以转速350r/min球磨4小时得到均匀分散的铁/介孔碳混合粉末。在高纯氩气保护、激光功率90W、扫描速度150mm/s、铺粉厚度60μm条件下经熔化冷却凝固后得到铁/介孔碳植入物。
微观组织观察发现，介孔碳均匀分散在铁基体中，力学测试表明极限压缩强度217Mpa。
在模拟体液中浸泡30天后，计算得到降解速率为0.25mm/year，同时表面覆盖大量的钙磷产物，表面其具有良好的生物活性。
对比例1
其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：称量4g介孔碳和96g纯铁粉，得到一种铁基合金基植入物，检测发现介孔碳出现严重的团聚。在选区激光熔化的过程中，介孔碳阻碍了液相铁的粘结，所得铁基植入物成型性能差，在人体模拟体液中浸泡30天后，计算的降解速率0.38mm/year，腐蚀表面不平整，出现了严重的点蚀坑，并且随着点蚀坑的发展，出现了严重的局部腐蚀。
对比例2
其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：将上述机械搅拌混合后的粉末置于球磨机中分散，球磨转速为150r/min球磨2小时，检测发现介孔碳出现团聚。在人体模拟体液中浸泡30天后，计算的降解速率0.34mm/year，腐蚀表面不平整，出现了严重的局部腐蚀。
对比例3
其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：激光功率为50W，发现成型过程中部分粉末未完全熔化，粉末颗粒之间出现一些孔隙。在人体模拟体液中浸泡30天后，计算的降解速率0.37mm/year，腐蚀表面不平整，出现了严重的局部腐蚀。
对比例4
其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：选用无序大孔活性炭作为添加剂。发现在人体模拟体液中浸泡30天后，腐蚀表面钙磷形核数有限，表明添加活性炭对吸附能力提升有限，计算的降解速率0.41mm/year，腐蚀表面不平整，出现了严重的局部腐蚀。
对比例5
其他条件均与实施例1一致，不同之处在于：选用平均粒径为10μm的介孔碳颗粒作为添加剂。发现在人体模拟体液中浸泡30天后，计算的降解速率0.55mm/year，腐蚀表面不均匀，出现了严重的局部腐蚀。
对比例6
其余条件均与实施例1一致，不同之处在于：采用纯度为99.7％的无水乙醇作为过程控制剂进行研磨。发现在研磨后，收集到的粉末上有一些氧化现象出现，并且球磨后铁粉颗粒尺寸较大，影响粉末的烧结性能。最终得到的式样的降解速率为0.51mm/year。
对比例7
其余条件均与实施例1一致，不同之处在于：选用导电率为0.2S/cm的介孔碳作为添加剂。发现在人体模拟体液中浸泡30天后，计算的降解速率0.15mm/year，腐蚀表面不均匀。
Claims (10)
1.一种介孔碳增强铁基复合材料，其特征在于：由铁基体以及均匀分散于铁基体中的介孔碳组成；所述介孔碳在铁基复合材料中的质量分数为0.5-2wt.％。
2.根据权利要求1所述的一种介孔碳增强铁基复合材料，其特征在于：所述介孔碳在铁基复合材料中的质量分数为1-2wt.％。
3.根据权利要求1或2所述的一种介孔碳增强铁基复合材料，其特征在于：所述介孔碳增强铁基复合材料由介孔碳粉末和纯铁粉末混合后，经激光选区熔化成形。
4.制备如权利要求1～3任意一项所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一
按设计比例配取介孔碳粉末和纯铁粉末；在保护气氛下球磨，球磨过程中加入绝对酒精作为过程控制剂，并控制球磨转速为300-500r/min，球磨时间为2-6h；获得介孔碳/铁混合粉末；
步骤二
将步骤一所得介孔碳/铁混合粉末，经激光选区熔化成形即获得介孔碳增强铁基复合材料，所述激光选区熔化成形时，控制激光功率为80-125W，控制扫描速度为120-200mm/s。
5.根据权利要求4所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述介孔碳的电导率为：0.25-0.35S/cm，粒径为1-5μm。
6.根据权利要求4所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铁粉的粒径17-51μm。
7.根据权利要求4所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述球磨转速为300-400r/min，球磨时间为3-5h。
8.根据权利要求4所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光选区熔化成形时，控制激光功率为90-100W，控制扫描速度为150-180mm/s。
9.根据权利要求4所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述激光选区熔化成形时，激光光斑直径为60-80μm，单层铺粉厚度为55-65μm。
10.根据权利要求1～3任意一项所述的一种介孔碳增强铁基复合材料的应用，其特征在于，将所述介孔碳增强铁基复合材料应用于骨植入材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910892614.8A CN110669979B (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910892614.8A CN110669979B (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110669979A true CN110669979A (zh) | 2020-01-10 |
| CN110669979B CN110669979B (zh) | 2021-11-26 |
Family
ID=69078446
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910892614.8A Expired - Fee Related CN110669979B (zh) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | 一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110669979B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111888519A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-11-06 | 江西理工大学 | 一种含锶介孔生物玻璃-镁复合材料及其制备方法和应用 |
| CN112024895A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-04 | 江西理工大学南昌校区 | 一种铁-氯化钙生物复合材料的制备方法 |
| CN112139489A (zh) * | 2020-09-27 | 2020-12-29 | 蔡国庆 | 一种铁-五氧化二钽生物复合材料的制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004345921A (ja) * | 2003-05-23 | 2004-12-09 | Hiroshima Univ | メソポーラス活性炭 |
| DE202005007021U1 (de) * | 2005-05-03 | 2006-01-19 | Korastoshevsky, Alexander | Anlage zur Herstellung von einer leichten, porösen Ferrokeramik mit vorbestimmter Innenstruktur |
| CN105381505A (zh) * | 2015-11-26 | 2016-03-09 | 青岛尤尼科技有限公司 | 一种骨缺损修复支架的3d打印制备方法 |
| CN105452156A (zh) * | 2013-08-01 | 2016-03-30 | Lg化学株式会社 | 制备碳载体-金属纳米粒子复合物的方法以及由该方法制备的碳载体-金属纳米粒子复合物 |
| CN107815576A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-20 | 中南大学 | 一种含介孔二氧化硅的生物镁合金及其制备方法 |
| CN109172860A (zh) * | 2018-08-10 | 2019-01-11 | 中南大学 | 一种可降解铁基植入物及其制备方法 |
-
2019
- 2019-09-20 CN CN201910892614.8A patent/CN110669979B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004345921A (ja) * | 2003-05-23 | 2004-12-09 | Hiroshima Univ | メソポーラス活性炭 |
| DE202005007021U1 (de) * | 2005-05-03 | 2006-01-19 | Korastoshevsky, Alexander | Anlage zur Herstellung von einer leichten, porösen Ferrokeramik mit vorbestimmter Innenstruktur |
| CN105452156A (zh) * | 2013-08-01 | 2016-03-30 | Lg化学株式会社 | 制备碳载体-金属纳米粒子复合物的方法以及由该方法制备的碳载体-金属纳米粒子复合物 |
| CN105381505A (zh) * | 2015-11-26 | 2016-03-09 | 青岛尤尼科技有限公司 | 一种骨缺损修复支架的3d打印制备方法 |
| CN107815576A (zh) * | 2017-10-26 | 2018-03-20 | 中南大学 | 一种含介孔二氧化硅的生物镁合金及其制备方法 |
| CN109172860A (zh) * | 2018-08-10 | 2019-01-11 | 中南大学 | 一种可降解铁基植入物及其制备方法 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111888519A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-11-06 | 江西理工大学 | 一种含锶介孔生物玻璃-镁复合材料及其制备方法和应用 |
| CN112024895A (zh) * | 2020-09-08 | 2020-12-04 | 江西理工大学南昌校区 | 一种铁-氯化钙生物复合材料的制备方法 |
| CN112024895B (zh) * | 2020-09-08 | 2023-01-24 | 江西理工大学南昌校区 | 一种铁-氯化钙生物复合材料的制备方法 |
| CN112139489A (zh) * | 2020-09-27 | 2020-12-29 | 蔡国庆 | 一种铁-五氧化二钽生物复合材料的制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110669979B (zh) | 2021-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110669979B (zh) | 一种介孔碳增强铁基复合材料及其制备方法和应用 | |
| Yang et al. | Microstructure evolution and texture tailoring of reduced graphene oxide reinforced Zn scaffold | |
| Kong et al. | Mechanical properties and corrosion behavior of selective laser melted 316L stainless steel after different heat treatment processes | |
| CN109172860B (zh) | 一种可降解铁基植入物及其制备方法 | |
| CN109023013B (zh) | 一种耐腐蚀高强度AlCoCrFeNi-Cu高熵合金的制备方法 | |
| CN110541104B (zh) | 一种低密度双相高熵合金材料及其制备方法 | |
| CN110699607B (zh) | 一种优化组织结构加快降解的生物铁基合金及其制备方法 | |
| Abazari et al. | Reduced graphene oxide (RGO) reinforced Mg biocomposites for use as orthopedic applications: Mechanical properties, cytocompatibility and antibacterial activity | |
| Xu et al. | Fabrication and properties of newly developed Ti35Zr28Nb scaffolds fabricated by powder metallurgy for bone-tissue engineering | |
| CN105169471A (zh) | 一种医用植入多孔铌钛合金材料及其制备方法 | |
| CN107760945A (zh) | 一种具有高腐蚀抗力和生物活性的镁合金及其制备方法 | |
| CN104674093A (zh) | 医用高强韧耐腐蚀镁基复合材料及其制备方法 | |
| CN109925534B (zh) | 一种同步提高铁基植入物降解速率和生物活性的方法 | |
| Luo et al. | Novel function-structure-integrated Ti-Mo-Cu alloy combined with excellent antibacterial properties and mechanical compatibility as implant application | |
| Yang et al. | Cerium-activated non-basal slip improves ductility of magnesium alloy | |
| CN108315627A (zh) | 改进型钨合金及其制备方法 | |
| CN116356171B (zh) | 医用镁合金及其制备方法 | |
| Erryani et al. | Microstructures and mechanical study of Mg Alloy foam based on Mg-Zn-Ca-CaCO3 system | |
| CN112813324B (zh) | 一种析出强化型可植入镁合金及其制备工艺 | |
| CN110541089B (zh) | 一种生物Nd-Zn合金及其制备方法 | |
| CN107815576A (zh) | 一种含介孔二氧化硅的生物镁合金及其制备方法 | |
| CN108950334B (zh) | 一种具有连续共晶结构的镁铝合金及其制备方法 | |
| CN106424716A (zh) | 用草酸亚铁改善锰铜阻尼烧结合金性能的方法 | |
| CN112359263B (zh) | 一种应力诱发马氏体相变的生物可降解铁合金及制备方法 | |
| CN110273084B (zh) | 一种可生物降解锌合金的制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20211126 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |