CN110882417B - 复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法，通过采用医用金属材料制备金属框架；在金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；将预制好的陶瓷浆液灌入造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；去除陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。本发明的技术方案使得多孔生物陶瓷和金属的复合体同时具备金属坚固的耐用性和多孔生物陶瓷优良的组织修复功能，能够达到外科植入假体的要求，且能够为患者量身定制多孔生物陶瓷和金属的复合体的形态、尺寸、机械和生物性能，可行性高、重复性好以及实用性强，能够广泛应用于生物医学和兽医领域。

Description

复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，特别涉及一种复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法。

背景技术

外科金属假体虽有坚固的力学强度和很好的耐用性，但长期植入人体会出现松动和断裂，进而导致人工假体失败。人工假体是否能够成功长期植入体内的关键是假体与组织界面的结合和生物力学匹配，以使其达到稳固的生物学固定，并且，这也是世界性难题。为此，大量研究和技术发明就聚焦于金属假体表面的改变和修饰，通过金属假体表面的理化改性、陶瓷涂层、喷结球珠、造成多孔来寻找解决方案，但是收效甚微。近年来由于蓬勃发展的3D打印技术，使得金属假体的加工性进一步提高，引发目光转向金属假体的框架化和多孔化制造，可是，仍未从本质上解决材料内血管化和组织化而形成的生物学固定瓶颈。

多孔生物陶瓷有很好的诱导和引导血管和组织再生作用，与宿主组织形成完美的结合，并在体内可被完全降解消失，作为骨修复材料已被临床医生广泛接受。曾有研究探索使用多孔生物陶瓷外科植入假体，但是，由于多孔生物陶瓷的力学强度和脆性存在着严重不足和缺陷，无法满足人体内长时间的高强度、高频率和多方向的运动需要，导致结果均以失败告终。

根据上述结果来看，金属假体材料和多孔生物陶瓷材料的结合是有可能达到外科植入假体的要求，但是两种材料之间的理化性能和制造工艺完全不同，二者的一体化制造很难实现。因此，如何制备金属假体材料和多孔生物陶瓷材料的复合体，以使其符合外科植入假体的要求成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法，使得多孔生物陶瓷和金属的复合体同时具备金属坚固的耐用性和多孔生物陶瓷优良的组织修复功能，能够达到外科植入假体的要求，且能够为患者量身定制多孔生物陶瓷和金属的复合体的形态、尺寸、机械和生物性能，可行性高、重复性好以及实用性强，能够广泛应用于生物医学和兽医领域。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，包括：

步骤S1，采用医用金属材料制备金属框架；

步骤S2，在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；

步骤S3，将预制好的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；

步骤S4，去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。

可选的，在所述步骤S1中，通过切削加工、翻砂铸模、3D打印、焊接和编织的方法制备所述金属框架；所述金属框架的材质包括镁及其合金、钛及其合金、钽及其合金、锌及其合金、铜及其合金、铁及其合金、不锈钢和钴铬钼合金中的至少一种。

可选的，在所述步骤S1中，预先通过有限元建模和托布力学计算的方法，对所述金属框架进行模拟设计，以获得所述金属框架的设计参数，所述设计参数包括结构、密度以及增强柱的形态、尺寸和数量；根据所述设计参数，选用合适的医用金属材料来制作所述金属框架。

可选的，在所述步骤S1之前或在所述步骤S1之后且在所述步骤S2之前，预制一模具，所述模具的尺寸和形态与所述金属框架和/或所述多孔生物陶瓷和金属的复合体相匹配；在步骤S2中，将所述金属框架固定在一预制的模具内，并在所述模具和所述金属框架内均填满所述造孔剂；在步骤S3中，将预制好的陶瓷浆液灌入所述模具内，干燥后脱去所述模具，以获得所述陶瓷坯体与金属框架的复合体。

可选的，通过模具铸形、切削加工、3D打印、焊接、堆积、拼接和编织的方法制备所述模具；所述模具的材质包括石膏、塑料或金属材料。

可选的，在所述步骤S2中，所述造孔构架与金属框架的复合体的制备步骤包括：首先，在所述金属框架内填满所述造孔剂；然后，在所述金属框架内注入有机溶剂，以溶解所述造孔剂的表层；接着，经水冲洗以终止溶解，使所述造孔剂粘结，烘干获得造孔构架与金属框架的复合体。

可选的，在所述步骤S2中，通过不同频率和不同振幅的震动将所述造孔剂填入所述金属框架。

可选的，所述造孔剂包括规则颗粒或非规则颗粒或规则颗粒与非规则颗粒的混合物；所述造孔剂包括有机微球；所述造孔剂包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；所述造孔剂的直径为50μm～5000μm；所述有机溶剂包括丙酮、双丙酮、溴氯甲烷、甲基异丁基甲酮和氯仿中的至少一种。

可选的，通过将陶瓷原料粉体和液体介质经搅拌和/或研磨混合，来获得所述步骤S3中预制的所述陶瓷浆液；所述陶瓷原料粉体与所述液体介质的质量配比为10％～90％；所述陶瓷原料粉体包括纯磷酸钙、掺杂磷酸钙、纯碳酸钙、掺杂碳酸钙、纯氧化铝、掺杂氧化铝、纯氧化锆、掺杂氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述液体介质包括纯水、乙醇、乙二醇、异丙醇和乙酸乙酯中的至少一种。

可选的，在所述步骤S3中，预制的所述陶瓷浆液中添加有造微孔剂和/或生物活化剂和/或抗菌剂。

可选的，所述造微孔剂的成分和所述造孔剂的成分相同或不同，所述造微孔剂的直径为0.1μm～10μm，所述造微孔剂占所述陶瓷浆液的质量百分比为0.1％～40％；所述生物活化剂包括镁、锌和锶中的至少一种；所述抗菌剂包括银和/或铜；所述生物活化剂和抗菌剂的直径均为0.01μm～100μm，所述生物活化剂和抗菌剂占所述陶瓷浆液的质量百分比均为0.1％～40％。

可选的，在所述步骤S2之后且在所述步骤S3之前，对所述造孔构架与金属框架的复合体中的金属框架进行表面处理和/或表面涂层。

可选的，所述表面处理包括抛光、打磨、腐蚀、电镀、微纳雕刻和抗氧化处理，所述表面涂层包括羟基磷灰石和磷酸三钙的等离子喷涂。

可选的，在所述步骤S4中，通过将所述陶瓷坯体与金属框架的复合体在100℃～600℃的温度下气化6h～30h，以消除所述造孔剂；在所述步骤S4中，所述烧结的温度为800℃～1600℃，所述烧结的时间为1h～10h。

本发明还提供了一种复合多孔生物陶瓷的金属假体，采用本发明提供的所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，通过采用医用金属材料制备金属框架；在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；将预制好的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体，使得制备的多孔生物陶瓷和金属的复合体既具备金属坚固的耐用性又具备多孔生物陶瓷优良的组织修复功能，有利于大段骨缺损的修复和重建；且能够为患者量身定制多孔生物陶瓷和金属的复合体的形态、尺寸、机械和生物性能，可行性高、重复性好以及实用性强，能够达到精准治疗的目标；且能够调控多孔生物陶瓷和金属的复合体的微结构和组分，实现陶瓷部分的组织修复能力和降解性能；同时，制备的多孔生物陶瓷和金属的复合体具有促进组织再生和/或抗菌作用，拓展了临床应用范围。

2、本发明的复合多孔生物陶瓷的金属假体，由于采用本发明提供的所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备，使得多孔生物陶瓷和金属的复合体既具有金属优良的力学性能，又具有多孔陶瓷很好的组织修复能力，能够达到外科植入假体的要求；且所述多孔生物陶瓷和金属的复合体既有符合组织再生的三维立体空间，又能达到修复部位的力学要求；同时，所述多孔生物陶瓷和金属的复合体中的陶瓷具有多孔的微结构，如微孔、宏孔、孔隙以及内连接的形态、尺寸和分布等，孔隙完全互通，使得更有利于血管和组织的长入，达到假体的永久性生物学固定；并且，所述多孔生物陶瓷和金属的复合体能够作为人工关节的装载基座，使其更稳定、更持久、更耐用，进而使得所述多孔生物陶瓷和金属的复合体能够广泛应用于生物医学和兽医领域。

附图说明

图1是本发明一实施例的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法的流程图；

图2是本发明一实施例的股骨上段复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体的表面形貌的光镜图；

图3是本发明一实施例的股骨上段复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体中的陶瓷微结构的扫描电子显微镜图；

图4a～4g是本发明一实施例的采用复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体治疗右胫骨近端骨肉瘤的图片。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～4g对本发明提出的复合多孔生物陶瓷的金属假体及其制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明一实施例提供一种复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，参阅图1，图1是本发明一实施例的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法的流程图，所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法包括：

步骤S1：采用医用金属材料制备金属框架；

步骤S2：在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；

步骤S3：将预制好的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；

步骤S4：去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。

下面更为详细的介绍本实施例提供的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法：

按照步骤S1，采用医用金属材料制备金属框架。可以根据待修复部位的力学要求，预先通过有限元建模和托布力学计算的方法，对所述金属框架进行模拟设计，以获得所述金属框架的设计参数。所述设计参数包括所述金属框架的结构、密度以及增强柱的形态、尺寸和数量等。根据所述金属框架的设计参数，可以选用合适的医用金属材料来制作所述金属框架。例如，根据所述金属框架的设计参数，可以通过切削加工、翻砂铸模、3D打印、焊接和编织等方法制备所述金属框架。

所述金属框架的材质可以包括镁及其合金、钛及其合金、钽及其合金、锌及其合金、铜及其合金、铁及其合金、不锈钢和钴铬钼合金中的至少一种，需要说明的是，所述金属框架的材质不仅限于上述的材料，还可包括其它符合生物相容性和相应的力学强度要求的医用金属材料。

所述金属框架可以是假体的形态和尺寸，也可以是非假体的形态和尺寸。当所述金属框架为非假体的形态和尺寸时，可以通过将所述金属框架载入模具的方法制备所需的假体的形态和尺寸。

另外，可以在所述步骤S1之前或在所述步骤S1之后且在所述步骤S2之前，预制一模具，所述模具的尺寸和形态与所述金属框架和/或所述多孔生物陶瓷和金属的复合体相匹配，以使得能够将所述金属框架载入所述模具内，进而在后续步骤中限定性填充造孔剂和灌注陶瓷浆液，从而确保在步骤S4中形成的多孔生物陶瓷和金属的复合体的形态和尺寸能够被有效控制。可以通过模具铸形、切削加工、3D打印、焊接、堆积、拼接和编织等方法制备所述模具。所述模具的材质可以包括吸水性能好的材料或者非吸水性的材料，吸水性能好的材料可以包括石膏，非吸水性的材料可以包括塑料或金属材料。其中，当所述模具的材质为非吸水性的材料时，所述模具用于可挥发性液体(如酒精等)所配置的陶瓷浆液，以进行间歇性分层灌浆的方法。

按照步骤S2，在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体。所述造孔构架与金属框架的复合体的制备步骤包括：首先，在所述金属框架内填满所述造孔剂；或者，也可以先将所述金属框架载入一预制的模具内，并加以固定，再在所述模具和所述金属框架内均填满所述造孔剂；可以通过不同频率和不同振幅的震动将所述造孔剂填入所述金属框架和所述模具中；然后，在所述金属框架和所述模具内注入有机溶剂，以溶解所述造孔剂的表层；接着，经水冲洗以终止溶解，使所述造孔剂粘结，并进一步烘干，以获得造孔构架与金属框架的复合体。

其中，所述造孔剂可以包括规则颗粒或非规则颗粒或规则颗粒与非规则颗粒的混合物。所述造孔剂可以包括有机微球；所述造孔剂可以包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；需要说明的是，所述造孔剂的材质不仅限于上述的材料，还可包括其它能够被有机溶剂溶解、高温烧结后不残留任何有害物质且不与基体材料发生化学反应的材料。

所述造孔剂的直径可以为50μm～5000μm(例如为100μm、1000μm、4000μm等)，需要说明的是，所述造孔剂的直径不仅限于上述的范围，所述造孔剂的直径可以根据修复部位的血管化和组织再生要求而定，所述造孔剂的直径能直接正向影响多孔陶瓷的孔隙率。

所述有机溶剂可以包括丙酮、双丙酮、溴氯甲烷、甲基异丁基甲酮和氯仿中的至少一种，需要说明的是，所述有机溶剂的种类不仅限于上述的范围，根据选用的所述有机溶剂的不同种类，可以控制所述有机溶剂对所述造孔剂的表层的溶解速度。所述有机溶剂的体积浓度可以为1％～100％。

可以根据所述造孔剂之间的连接尺寸定义对所述造孔剂表层的溶解时间，例如溶解的时间可以为1min～30min。在终止溶解之后，可以将整个所述模具及内部的结构置于40℃～60℃的环境中烘烤20h～30h，以使得溶解了表层的且相互粘结的所述造孔剂之间进一步粘结固化，形成造孔构架与金属框架的复合体。

另外，也可通过加温方法熔融所述造孔剂的表层，实现所述造孔剂之间相互粘结。

另外，在所述步骤S2之后且在所述步骤S3之前，可以对所述造孔构架与金属框架的复合体中的金属框架进行表面处理和/或表面涂层，以便增强金属与陶瓷界面的结合力，达到更理想的临床疗效。所述表面处理包括抛光、打磨、腐蚀、电镀、微纳雕刻和抗氧化处理等，所述表面涂层包括羟基磷灰石和磷酸三钙的等离子喷涂等。

按照步骤S3，将预制好的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体。在将预制好的所述陶瓷浆液灌入所述模具内之后，进行干燥处理后脱去所述模具，并将脱去所述模具后的结构继续在40℃～60℃的环境中烘烤20h～30h，以获得所述陶瓷坯体与金属框架的复合体。

其中，可以通过将陶瓷原料粉体和液体介质经搅拌或研磨混合，或者依次经过搅拌和研磨混合，来获得预制的所述陶瓷浆液。所述陶瓷原料粉体与所述液体介质的质量配比可以为10％～90％(例如为20％、50％、80％等)，预制的所述陶瓷浆液需具有很好的流动性，以便所述陶瓷浆液能够渗入到所述造孔构架与金属框架的复合体的间隙中。所述陶瓷原料粉体可以包括纯磷酸钙(羟基磷灰石、磷酸三钙)、掺杂磷酸钙、纯碳酸钙、掺杂碳酸钙、纯氧化铝、掺杂氧化铝、纯氧化锆、掺杂氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述液体介质可以包括纯水、乙醇、乙二醇、异丙醇和乙酸乙酯中的至少一种；需要说明的是，所述陶瓷原料粉体和所述液体介质的种类不仅限于上述的范围，所述陶瓷原料粉体可以是任何能满足生物相溶性的陶瓷粉体，根据所述陶瓷原料粉体的种类选择合适种类的所述液体介质。

另外，预制的所述陶瓷浆液中可以添加有造微孔剂和/或生物活化剂和/或抗菌剂。所述陶瓷浆液中添加的造微孔剂可以在烧结后形成相应量的微孔，使得有利于材料的降解；所述造微孔剂的成分和所述造孔剂的成分可以相同或不同，只要所述造微孔剂在烧结后能够被去除即可，例如所述造微孔剂可以为有机材料或碳等；所述造微孔剂也可以包括规则颗粒或非规则颗粒或规则颗粒与非规则颗粒的混合物；所述造微孔剂的直径可以为0.1μm～10μm(例如为1μm、5μm、9μm等)，所述造微孔剂占所述陶瓷浆液的质量百分比为0.1％～40％(例如为1％、10％、30％等)。所述陶瓷浆液中添加的生物活化剂能够增加材料的生物活性，有利于血管化和组织再生；所述生物活化剂可以包括镁、锌和锶微粒中的至少一种。所述陶瓷浆液中添加的抗菌剂使得材料具有抗菌作用；所述抗菌剂可以包括银和/或铜。所述生物活化剂和抗菌剂的直径可以均为0.01μm～100μm(例如为1μm、10μm、50μm、90μm等)，所述生物活化剂和抗菌剂占所述陶瓷浆液的质量百分比可以均为0.1％～40％(例如为1％、10％、30％等)。需要说明的是，所述造微孔剂、生物活化剂和抗菌剂的材料种类和配比不仅限于上述的范围。

按照步骤S4，去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。可以通过将所述陶瓷坯体与金属框架的复合体在100℃～600℃(例如为200℃、500℃等)的温度下气化6h～30h(例如为10h、20h等)，以消除所述造孔剂，使得陶瓷具有多孔结构；所述烧结的温度可以为800℃～1600℃(例如为900℃、1500℃等)，所述烧结的时间可以为1h～10h(例如为2h、9h等)。需要说明的是，上述的温度和时间不仅限于上述的范围，可以根据需要进行调整。

所述多孔生物陶瓷和金属的复合体中的陶瓷可以是可降解(如磷酸三钙)、部分降解(如双相陶瓷)和非降解(如羟基磷灰石)的，根据临床用途来确定。

下面根据上述步骤S1～步骤S4，举例说明所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法。

实施例一

制备17cm长的股骨上段复合羟基磷灰石(HA)多孔生物陶瓷的钛合金假体：所述陶瓷原料粉体为纯HA；所述金属框架为叠加式网状结构，其网眼尺寸为1mm～6mm；产品的多孔微结构要求为孔隙率70％±5％、孔径500μm±50μm以及孔内连接径120μm±20μm。

步骤S1，根据病人CT影像片数据建立有限元缺损模型，并采用拓布力学计算方法设计出相应假体的金属框架，3D打印制备出假体的钛合金框架，清洗烘干；

步骤S2，根据上述的设计参数，采用3D打印技术制备出内腔与钛合金框架相匹配的石膏模具，并将钛合金框架固定在石膏模具内；向石膏模具内震动填入500μm～600μm粒径的有机微球，通过称重获知填入有机微球20.1g，达到填满目标；向石膏模具内注入体积浓度为85％的丙酮，以溶解有机微球的表层，溶解时间为7min，经纯水冲洗停止溶解，使得溶解了表层的有机微球之间相互粘结；将石膏模具置于50℃的环境中烘烤24小时；

步骤S3，将纯HA粉体与纯水按照质量份65:35的比例配置陶瓷浆液；向石膏模具内灌入陶瓷浆液，待陶瓷浆液完全吸干后，脱去石膏模具，并将脱去石膏模具后的结构继续置于50℃的环境中烘烤24h，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；

步骤S4，将陶瓷坯体与金属框架的复合体在300℃的温度下气化12h，以去除有机微球，使得HA陶瓷具有多孔结构；将去除了有机微球之后的结构继续在1250℃的温度下烧结4h，以形成复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体。参阅图2和图3，从图2中可看到复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体中的金属框架11、多孔陶瓷12和金属增强柱13；从图3中可看出，复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体中的陶瓷具有宏孔(例如B1和B2)，且孔隙之间相互连通、具有内连接结构(例如A1和A2)。

实施例二

制备复合β-磷酸三钙(β-TCP)多孔生物陶瓷的钛合金腰椎融合器：所述陶瓷原料粉体为纯β-TCP；所述金属框架为叠加式网状结构，其网眼尺寸为1mm～3mm；产品的多孔微结构要求为孔隙率60％±5％、孔径250μm±50μm以及孔内连接径100μm±20μm。

步骤S1，通过有限元建立模型设计出相应腰椎融合器的金属框架，并采用3D打印的方法制备出腰椎融合器的钛合金框架，清洗烘干；

步骤S2，根据上述的设计参数，采用3D打印技术制备出内腔与钛合金框架相匹配的塑料模具；并将钛合金框架固定在塑料模具内；向塑料模具内震动填入200μm～300μm粒径的有机微球，通过称重确定整个塑料模具中被填实；向塑料模具内注入体积浓度为90％的丙酮，以溶解有机微球的表层，溶解时间为5min，经纯水冲洗停止溶解，使得溶解了表层的有机微球之间相互粘结；将塑料模具置于50℃的环境中烘烤24小时；

步骤S3，将纯β-TCP粉体与无水酒精按照质量份65:35的比例配置陶瓷浆液；以0.1mL/min的速度向塑料模具内灌入陶瓷浆液，待陶瓷浆液干燥成型后脱去塑料模具，并将脱去塑料模具后的结构继续置于50℃的环境中烘烤24h，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；

步骤S4，将陶瓷坯体与金属框架的复合体在300℃的温度下气化12h，以去除有机微球，使得β-TCP陶瓷具有多孔结构；将去除了有机微球之后的结构继续在1180℃的温度下烧结4h，以形成复合β-TCP多孔生物陶瓷的钛合金腰椎融合器。

从上述步骤S1至步骤S4可知，制备的所述多孔生物陶瓷和金属的复合体既具有金属优良的力学性能，又具有多孔陶瓷很好的组织修复能力，能够达到外科脊柱融合的要求；且采用上述步骤中的方法和材料制备金属框架结构，随后在其中加造互通性的多孔生物陶瓷，使得制备的融合器既有符合组织再生的三维立体空间，又能达到融合部位的力学要求；同时，根据修复部位的组织和器官再生要求，采用降解和/或非降解的陶瓷材料精准可控地制造出上述多孔陶瓷的微结构，如微孔、宏孔、孔隙以及内连接的形态、尺寸和分布等，孔隙完全互通，使得更有利于血管和组织的长入，达到假体的永久性生物学固定。因此，使得所述多孔生物陶瓷和金属的复合体能够广泛应用于生物医学和兽医领域。

以采用上述实施例一的方法制备17厘米长的右胫骨近上中段复合HA多孔生物陶瓷的钛合金假体进行应用为例，将该假体用于治疗17岁男性的右胫骨近端骨肉瘤。在手术前，图4a所示的X线片和图4b所示的CT显示肿瘤已穿破骨皮质，图4c所示的MRI(磁共振成像)明确了肿瘤范围；在手术后3天，图4d显示已经可以下地活动；继续随访3、9、12个月，对应的X线片显示假体位置完好(如图4e～4g所示)，无松动、感染、假体断裂等并发症。在手术后的第12个月，患者的MSTS评分结果显示肢体功能评分达80％的满意临床疗效。

综上所述，本发明的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，包括：步骤S1，采用医用金属材料制备金属框架；步骤S2，在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；步骤S3，将预制的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；步骤S4，去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体。本发明的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备的多孔生物陶瓷和金属的复合体既具备金属坚固的耐用性又具备多孔生物陶瓷优良的组织修复功能，有利于大段骨缺损的修复和重建；且本发明的技术方案能为患者量身定制多孔生物陶瓷和金属的复合体的形态、尺寸、机械和生物性能，可行性高、重复性好以及实用性强，能够达到精准治疗的目标；且本发明的技术方案能够调控多孔生物陶瓷和金属的复合体的微结构和组分，实现陶瓷部分的组织修复能力和降解性能；同时，本发明的技术方案制备的多孔生物陶瓷和金属的复合体具有促进组织再生和/或抗菌作用，拓展了临床应用范围。

本发明一实施例提供一种复合多孔生物陶瓷的金属假体，采用本发明提供的所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备。

由于采用本发明提供的所述复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备所述复合多孔生物陶瓷的金属假体，即制备多孔生物陶瓷和金属的复合体，使得所述多孔生物陶瓷和金属的复合体既具有金属优良的力学性能，又具有多孔陶瓷很好的组织修复能力，能够达到外科植入假体的要求；且所述多孔生物陶瓷和金属的复合体既有符合组织再生的三维立体空间，又能达到修复部位的力学要求；同时，所述多孔生物陶瓷和金属的复合体中的陶瓷具有多孔的微结构，如微孔、宏孔、孔隙以及内连接的形态、尺寸和分布等，孔隙完全互通，使得更有利于血管和组织的长入，达到假体的永久性生物学固定；并且，所述多孔生物陶瓷和金属的复合体能够作为人工关节的装载基座，使装载基座更稳定、更持久、更耐用。上述效果使得所述多孔生物陶瓷和金属的复合体能够广泛应用于生物医学和兽医领域。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (14)

1.一种复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，包括：

步骤S1，采用医用金属材料制备金属框架；

步骤S2，在所述金属框架内填充造孔剂，以获得造孔构架与金属框架的复合体；

步骤S3，将预制好的陶瓷浆液灌入所述造孔构架与金属框架的复合体中，以获得陶瓷坯体与金属框架的复合体；

步骤S4，去除所述陶瓷坯体与金属框架的复合体中的造孔剂，并经烧结之后获得多孔生物陶瓷和金属的复合体；

其中，在所述步骤S2之后且在所述步骤S3之前，对所述造孔构架与金属框架的复合体中的金属框架进行表面处理和/或表面涂层。

2.如权利要求1所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，通过切削加工、翻砂铸模、3D打印、焊接和编织的方法制备所述金属框架；所述金属框架的材质包括镁及其合金、钛及其合金、钽及其合金、锌及其合金、铜及其合金、铁及其合金、不锈钢和钴铬钼合金中的至少一种。

3.如权利要求1或2所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，预先通过有限元建模和托布力学计算的方法，对所述金属框架进行模拟设计，以获得所述金属框架的设计参数，所述设计参数包括结构、密度以及增强柱的形态、尺寸和数量；根据所述设计参数，选用合适的医用金属材料来制作所述金属框架。

4.如权利要求1所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1之前或在所述步骤S1之后且在所述步骤S2之前，预制一模具，所述模具的尺寸和形态与所述金属框架和/或所述多孔生物陶瓷和金属的复合体相匹配；在步骤S2中，将所述金属框架固定在一预制的模具内，并在所述模具和所述金属框架内均填满所述造孔剂；在步骤S3中，将预制好的陶瓷浆液灌入所述模具内，干燥后脱去所述模具，以获得所述陶瓷坯体与金属框架的复合体。

5.如权利要求4所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，通过模具铸形、切削加工、3D打印、焊接、堆积、拼接和编织的方法制备所述模具；所述模具的材质包括石膏、塑料或金属材料。

6.如权利要求1或4所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述造孔构架与金属框架的复合体的制备步骤包括：首先，在所述金属框架内填满所述造孔剂；然后，在所述金属框架内注入有机溶剂，以溶解所述造孔剂的表层；接着，经水冲洗以终止溶解，使所述造孔剂粘结，烘干获得造孔构架与金属框架的复合体。

7.如权利要求6所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通过不同频率和不同振幅的震动将所述造孔剂填入所述金属框架。

8.如权利要求6所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，所述造孔剂包括规则颗粒或非规则颗粒或规则颗粒与非规则颗粒的混合物；所述造孔剂包括有机微球；所述造孔剂包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酰胺、聚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；所述造孔剂的直径为50μm～5000μm；所述有机溶剂包括丙酮、双丙酮、溴氯甲烷、甲基异丁基甲酮和氯仿中的至少一种。

9.如权利要求1所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，通过将陶瓷原料粉体和液体介质经搅拌和/或研磨混合，来获得所述步骤S3中预制的所述陶瓷浆液；所述陶瓷原料粉体与所述液体介质的质量配比为10％～90％；所述陶瓷原料粉体包括纯磷酸钙、掺杂磷酸钙、纯碳酸钙、掺杂碳酸钙、纯氧化铝、掺杂氧化铝、纯氧化锆、掺杂氧化锆、二氧化钛和铝镁尖晶石中的至少一种；所述液体介质包括纯水、乙醇、乙二醇、异丙醇和乙酸乙酯中的至少一种。

10.如权利要求9所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，预制的所述陶瓷浆液中添加有造微孔剂和/或生物活化剂和/或抗菌剂。

11.如权利要求10所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，所述造微孔剂的成分和所述造孔剂的成分相同或不同，所述造微孔剂的直径为0.1μm～10μm，所述造微孔剂占所述陶瓷浆液的质量百分比为0.1％～40％；所述生物活化剂包括镁、锌和锶中的至少一种；所述抗菌剂包括银和/或铜；所述生物活化剂和抗菌剂的直径均为0.01μm～100μm，所述生物活化剂和抗菌剂占所述陶瓷浆液的质量百分比均为0.1％～40％。

12.如权利要求1所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，所述表面处理包括抛光、打磨、腐蚀、电镀、微纳雕刻和抗氧化处理，所述表面涂层包括羟基磷灰石和磷酸三钙的等离子喷涂。

13.如权利要求1所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法，其特征在于，在所述步骤S4中，通过将所述陶瓷坯体与金属框架的复合体在100℃～600℃的温度下气化6h～30h，以消除所述造孔剂；在所述步骤S4中，所述烧结的温度为800℃～1600℃，所述烧结的时间为1h～10h。

14.一种复合多孔生物陶瓷的金属假体，其特征在于，采用如权利要求1至13中任一项所述的复合多孔生物陶瓷的金属假体的制备方法制备。

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