CN111663112A - 一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医用器械的技术领域，更具体地说，涉及一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料及其制备方法，具体包括以下工艺：五氯化钽气体与高纯氢气在900‑1050℃的真空环境下反应6‑9 h，置换出的钽金属层沉积在基体表面，基体以及沉积在基体表面的钽金属层即为钽金属骨小梁材料；其中，所述五氯化钽气体入真空环境的通入速率为10000~13000 ml/min，所述高纯氢气入真空环境的通入速率为530~570 ml/min，所述真空环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa。在本发明提供的各种反应条件的共同配合下，提高了医用钽金属骨小梁材料的制备效率，且通过上述制备方法制备出的钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、摩擦系数高，与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。

Description

一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及医用器械的技术领域，更具体地说，它涉及一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料及其制备方法。
背景技术
骨植入材料(bone grafts)主要用于修复、充填骨缺损或对骨折断端起到固定和支撑作用，包括自体骨、异体骨、金属材料、高分子材料、无机非金属材料等。作为人体植入物，生物学上应具备良好的生物相容性、生物亲和性和人体安全性；力学方面要有一定的强度、弹性模量接近于骨，且耐磨、耐老化；化学上要求性能稳定、耐腐蚀且易于消毒灭菌等。临床治疗时常根据不同的病情需要，选择不同的植入材料。
传统的骨植入材料如钴铬钼、钛合金等，存在关节面磨损产生磨粒导致骨溶解、髓针应力遮挡或术后即期固定效果不好等问题，其原因是材料的生物相容性差、弹性模量高和摩擦系数低。相较传统骨植入材料，钽金属骨小梁产品作为一种新兴生物医用材料，具有孔隙率高、生物相容性好、弹性模量低、摩擦系数高以及强度高等诸多优势，且钽金属骨小梁产品的结构与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。利用钽金属骨小梁材料作为骨植入材料，不仅可以改善如上问题，而且可以大大降低术后翻修率，延长假体使用寿命，降低患者痛苦。
目前钽金属骨小梁产品的常见制备技术有：激光烧结技术、泡沫浸渍技术和化学气相沉积技术。其中，由于钽金属熔点极高，可达3000度，故激光烧结技术所用设备的功率较高，能耗较大，不适合大规模工业化生产；泡沫浸渍技术作为新兴技术，目前还在实验室制备阶段，难以实现批量化生产；而化学气相沉积技术因为其工艺难度低，操作简单，成品率高，且以化学气相沉积技术最为稳定，也最适于工业化生产，是目前工业化生产可行性最高的钽金属骨小梁材料制备技术。钽金属骨小梁作为新兴医用材料，大规模制备工艺还在研究发展阶段。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的在于提供一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，针对现有技术中对医用钽金属骨小梁材料的制备工艺还处于研究发展阶段，本发明对化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备工艺进行了深入探究，在本发明提供的各种反应条件的共同配合下，提高了医用钽金属骨小梁材料的制备效率，且经过探究得到了制备钽金属骨小梁材料的最佳制备工艺条件。通过上述制备方法制备出的钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、摩擦系数高、强度高，与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下工艺：五氯化钽气体与高纯氢气在900-1050℃的真空环境下反应6-9h，置换出的钽金属沉积在基体表面，基体以及沉积在基体表面的钽金属层即为钽金属骨小梁材料；其中，所述五氯化钽气体入真空环境的通入速率为10000～13000ml/min，所述高纯氢气入真空环境的通入速率为530～570ml/min，所述真空环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa。
通过采用上述技术方案，在真空环境下，利用高纯氢气对五氯化钽气体中的钽金属进行置换，置换出的钽金属沉积在基体表面并与基体共同组成医用钽金属骨小梁材料，经过多次尝试和试验探究，发现五氯化钽气体和高纯氢气的反应温度在900-1050℃、反应时间在6-9h范围内，在反应温度和反应时间的相互配合下，反应置换出的钽金属层的效率最高，因此，将上述反应条件控制在900-1050℃和6-9h内；此外，经过多次的实践和尝试，在本发明中的反应条件下，当高纯氢气的通入速率为530～570ml/min，五氯化钽气体的通入速率为10000～13000ml/min时，有助于提高整体反应对于五氯化钽气体中的钽金属的置换效率；另外，在反应过程中，控制反应环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa，若真空度处于大于13.3Pa的情况下，反应过程中五氯化钽气体会与空气中的水发生反应，产生副产物氯氧化钽(TaOCl3)，由于氯氧化钽中的钽无法被高纯氢气置换出来，会降低反应中可进行置换的钽含量，从而降低整体的反应效率，因此，反应环境中需要保持真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa，使反应环境中的水分尽量少，尽量避免副反应的发生，提高医用钽金属骨小梁材料的制备效率。
基体的主要作用是作为置换出的钽金属沉积包覆的载体，最终附着在基体表面的医用钽金属层与基体一起作为钽金属骨小梁材料进行临床应用。因此，在上述反应环境中放入基体，在置换反应发生的同时同步进行医用钽金属骨小梁产品的制备，且置换反应置换出的钽金属持续沉积在基体表面，在基体表面形成了多孔钽金属层。根据临床上对钽金属骨小梁产品形状的需要，可在反应环境中放置相应形状的基体，制备相应形状的医用钽金属骨小梁材料，以适应临床上对钽金属骨小梁材料的需要。且由于置换反应的持续进行，置换出的钽金属持续沉积在多孔基体表面，形成了钽金属骨小梁材料的多孔性质，且具有较高的孔隙率。本发明的制备方法难度低，操作简单，且在上述反应温度、反应时间、真空度以及五氯化钽气体和高纯氩气的通入速率等条件的共同配合下，提高了医用钽金属骨小梁材料的制备效率，且通过上述制备方法制备出的钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、摩擦系数高、强度高，与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。
进一步地，所述五氯化钽气体是利用医用纯钽与高纯氯气在900-1050℃的真空条件下反应制得的，高纯氯气的通入速率为200～240ml/min，反应环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa。
通过采用上述技术方案，五氯化钽气体作为置换钽金属的置换气体，其获取方式有两种，一种是直接从市场上购买，另一种是现制现用，由于从市场上购买的五氯化钽不易保存，易发生潮解，生成氧化态的氯化物，不利于对其中的钽金属的置换，因而会降低反应中钽金属的置换效率，因此，本发明中五氯化钽气体优选的获取方式是现制现用。利用医用纯钽和高纯氯气制备五氯化钽气体，因氯气比较活跃，能够在一定条件下与钽发生反应，生成五氯化钽，五氯化钽沸点为242℃，故在反应过程中五氯化钽为气态。反应生成的五氯化钽气体作为制备钽金属骨小梁材料的置换气体与高纯氢气在一定条件下进行钽金属的制备。制备五氯化钽气体的反应环境中同样需要保持真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa，避免五氯化钽气体与空气中的水发生反应，产生副产物氯氧化钽，进而降低最终置换反应中钽金属的置换效率；另一方面，基体和反应腔的材料可能为易燃材料，隔绝空气可有效预防由于空气中氧气的存在导致反应腔以及反应腔中的基体燃烧。
进一步地，所述基体为多孔碳基体，多孔碳基体的平均孔径为600-800μm，平均丝径为100-250μm，平均孔隙率为81-90％。
通过采用上述技术方案，碳材料比较稳定，不会与置换出的钽金属发生反应，可以作为钽金属沉积包覆的理想载体。反应置换出的钽金属沉积在多孔碳基体表面，由于多孔碳基体的多孔结构，钽金属在多孔碳基体的表面形成与多孔碳基体形状相适应的的多孔结构，多孔碳基体与其表面沉积的钽金属层共同组成碳和钽的结合体，作为医用钽金属骨小梁材料应用于临床医疗中。另外，多孔碳基体的形状多样，可以根据实际需要的医用钽金属骨小梁的形状选择适当形状的多孔碳基体，无论从操作还是从成本考虑，都是最优选的基体材料。
进一步地，所述沉积在基体表面的钽金属层的厚度为40-100μm。
通过采用上述技术方案，经过试验分析，利用上述制备方法利用高纯氢气从五氯化钽气体中置换出且沉积在多孔碳基体表面的钽金属层的厚度在40-100μm的范围内。在实际的临床应用中，可以根据需要制备具有不同厚度的钽金属层的医用钽金属骨小梁材料。
进一步地，反应前向反应环境中通入氩气，氩气的通入速率为10000～13000ml/min。
通过采用上述技术方案，氩气是一种无色无味的惰性气体，化学性质稳定，不活泼，很难与其他物质反应，用氩气作为置换反应的保护气，可以使医用纯钽与高纯氯气的反应以及五氯化钽气体和高纯氢气的反应均与氧气隔绝，防止上述反应中发生含钽气体的氧化反应，产生无法被氢气置换出来的含钽副产物，降低反应中可进行置换的钽金属含量，从而降低整体的反应效率。另外，基体和反应腔的材料可能为易燃材料，隔绝空气可有效预防由于空气中氧气的存在导致反应腔以及反应腔中的基体燃烧。因此，用氩气作为医用纯钽与高纯氯气的反应以及五氯化钽气体和高纯氢气的反应过程中的保护气，可以进一步保证整体的反应效率，减少钽的浪费，提高钽金属的沉积率。在五氯化钽气体和高纯氢气的反应过程中，氩气的另外一个目的是将五氯化钽气体推入反应器中。此外，为了使反应器内的真空度满足置换上述反应的要求，在抽真空到一定程度后，再向反应腔内通入氩气，以达到反应器内的满足上述反应的真空度要求。
进一步地，将反应过程中产生的尾气通入氢氧化钠溶液中进行尾气处理。
通过采用上述技术方案，在反应的过程中，高纯氢气和五氯化钽气体反应，置换出五氯化钽气体中的钽金属，并使钽金属沉积在基体表面，在反应过程中会产生氯化氢气体，以及还存在其他反应不完全的气体。在反应完成后，氯化氢气体作为残留尾气的典型代表，需要对其进行处理，将残留的尾气通入尾气处理装置，尾气处理装置中有氢氧化钠溶液，尾气中的物质会与氢氧化钠溶液反应生产氯化钠和水，对尾气进行无害化处理。
进一步地，所述真空环境的材料为石英材料或高纯石墨材料的任意一种。
通过采用上述技术方案，由于石英和石墨具有良好的化学稳定性、导热性和耐腐蚀性，是比较好的热交换器和反应器，在制备医用钽金属骨小梁材料的过程中，采用石英材料和石墨材料作为反应器，对医用钽金属骨小梁材料的制备效率有了进一步的保障。
进一步地，重复上述反应3-4次，且每次反应置换出的钽金属均沉积在同一基体表面。
通过采用上述技术方案，为了保证置换出的钽金属在基体表面的沉积厚度和结构强度，重复上述反应3-4次，每次经过反应置换出的钽金属沉积在同一基体表面，相比只经过一次反应制备的钽金属，经过多次反应置换出的钽金属累积沉积在基体表面，提高了钽金属在基体表面的沉积厚度和结构强度。
本发明的第二目的在于提供一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料，该医用钽金属骨小梁材料是利用上述制备方法制成的。
通过采用上述技术方案，利用上述方法制备的医用钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、弹性模量低、摩擦系数高以及强度高，将其应用于钽金属骨小梁产品的制作中，其结构与人体松质骨高度相似，是更理想的骨植入材料。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1.针对现有技术中对医用钽金属骨小梁材料的制备工艺还处于研究发展阶段，本发明对化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备工艺进行了深入探究，在本发明提供的各种反应条件的共同配合下，提高了医用钽金属骨小梁材料的制备效率，且经过探究得到了制备钽金属骨小梁材料的最佳制备工艺条件。通过上述制备方法制备出的钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、摩擦系数高、强度高，与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。
2.本发明利用上述方法制备的钽金属骨小梁材料孔隙率高、生物相容性好、弹性模量低、摩擦系数高以及强度高等诸多优势，是作为更理想的骨植入材料。利用上述制备方法制备的医用钽金属骨小梁材料，具有更好的应用前景。
3.本发明中针对制备医用钽金属骨小梁材料的制备过程产生的尾气进行无害化处理，符合环保和可持续发展的理念。
具体实施方式
本发明中涉及到的石英反应腔，厂家为CVD Equipment Corporation，型号为N1213M2103-00；高纯石墨反应腔，厂家为CVD Equipment Corporation，型号为N1213M2116；尾气处理装置为EE405尾气处理设备，厂家为CVD Equipment Corporation；医用纯钽购自宁夏东方钽业股份有限公司。
本发明提供了一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)在第一反应腔中放入医用纯钽，在第二反应腔中放入多孔碳基体，将第一反应腔和第二反应腔分别密闭，多孔碳基体的平均孔径为600-800μm，平均丝径为100-250μm，平均孔隙率为81-90％，第一反应腔和第二反应腔可以是石英反应腔或高纯石墨反应腔中的任意一种；
(2)将第一反应腔和第二反应腔分别抽真空至一定程度，然后向第一反应腔和第二反应腔中分别通入氩气，通入氩气的流速为10000～13000ml/min，并保证第一反应腔和第二反应腔内的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa；
(3)向第一反应腔中通入高纯氯气，高纯氯气的通入速率为200～240ml/min，在900-1050℃条件下反应，高纯氯气和医用纯钽生成五氯化钽气体；
(4)将步骤(3)中生成的五氯化钽气体和氩气混合通入第二反应腔中，混合气体的通入速率为10000～13000ml/min，同时向第二反应腔中通入高纯氢气，高纯氢气的通入速率为530～570ml/min，在900-1050℃条件下反应，反应时间为6-9h，置换钽金属；
(5)上述步骤(4)中置换出的钽金属沉积在多孔碳基体表面，沉积在多孔碳基体表面的钽金属层的厚度为40-100μm；同时伴有尾气的产生，将尾气通入有氢氧化钠溶液的尾气处理装置中，进行尾气处理，尾气处理装置处理后的尾气需符合国标(GB 31573-2015)的排放标准后再排放；
(6)重复上述步骤(4)和步骤(5)3-4次，每次置换出的钽金属均沉积在同一多孔碳基体的表面，最终在多孔碳基体表面获得具有较好的沉积厚度和结构强度的钽金属层，钽金属层和多孔碳基体共同组成钽金属骨小梁材料。
本发明还提供了一种通过上述方法制备的医用钽金属骨小梁材料，制备得到的医用钽金属层的孔隙率为50％～80％，孔隙连通性大于95％，厚度在40-100μm的范围内。该钽金属骨小梁材料对松质骨摩擦力最大可达到0.88，相比现有技术中的其他材料对松质骨摩擦力有显著提高，且制备出的钽金属骨小梁硬度为3GPa，最大植骨应力达到67％，与人体松质骨高度相似，是更为理想的骨植入材料。
以下结合实施例1-10、对比例1-8以及相应的检测结果对本发明作进一步详细说明。
实施例
实施例1
本实施例提供了一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其中第一反应腔为石英反应腔，第二反应腔为高纯石墨反应腔，具体包括以下步骤：
(1)在第一反应腔中放入医用纯钽，在第二反应腔中放入多孔碳基体，多孔碳基体的平均孔径为600μm，平均丝径为100μm，平均孔隙率为90％，将第一反应腔和第二反应腔分别密闭；
(2)将第一反应腔和第二反应腔分别抽真空至一定程度，然后向第一反应腔和第二反应腔中分别通入氩气，通入氩气的流速为10000ml/min，并保证第一反应腔和第二反应腔内的真空度为4Pa；
(3)向第一反应腔中通入高纯氯气，高纯氯气的通入速率为240ml/min，在950℃条件下反应，高纯氯气和医用纯钽生成五氯化钽气体；
(4)将步骤(3)中生成的五氯化钽气体和氩气混合通入第二反应腔中，混合气体的通入速率为10000ml/min，同时向第二反应腔中通入高纯氢气，高纯氢气的通入速率为570ml/min，在950℃条件下反应，反应时间为9h，置换钽金属；
(5)上述步骤(4)中置换出的钽金属沉积在多孔碳基体表面，同时伴有尾气的产生，将尾气通入有氢氧化钠溶液的尾气处理装置中，进行尾气处理，尾气处理装置处理后的尾气需符合国标(GB 31573-2015)的排放标准后再排放；
(6)重复上述步骤(4)和步骤(5)4次，每次置换出的钽金属均沉积在第二反应腔中的多孔碳基体的表面，最终在多孔碳基体表面获得具有较好的沉积厚度和结构强度的钽金属层，钽金属层和多孔碳基体共同组成钽金属骨小梁材料。
实施例2-9
实施例2-9与实施例1的不同之处在于制备医用钽金属骨小梁材料的过程中各项参数的不同，实施例2-9与实施例1的各项参数的具体不同之处如表1所示。
表1实施例1-9中医用钽金属骨小梁材料的制备过程的参数对比
Figure BDA0002494091950000081
实施例10
本实施例与实施例9的不同之处在于制备医用钽金属骨小梁材料的过程中采用的多孔碳基体的参数不同，本实施例采用的多孔碳基体的平均孔径为800μm，平均丝径为250μm，平均孔隙率为81％，其余步骤均与实施例9的参数相同。
对比例
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的五氯化钽气体和氩气混合通入第二反应腔中，混合气体的通入速率为8000ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的五氯化钽气体和氩气混合通入第二反应腔中，混合气体的通入速率为15000ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的高纯氯气通入第一反应腔中的速率为180ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例4
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的高纯氯气通入第一反应腔中的速率为260ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例5
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的高纯氢气通入第二反应腔中的速率为500ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例6
本对比例与实施例1的不同之处在于，本实施例的高纯氢气通入第二反应腔中的速率为600ml/min，其余步骤均与实施例1的步骤相同。
对比例7
本对比例提供了一种多孔钛涂层，该多孔钛涂层是利用授权公告号为CN101138649B，发明名称为“一种在植入物表面获得获得生物活性、开放式多孔钛涂层的方法”的中国发明专利的具体实施方式中实施例5公开的多孔碳涂层的制备方法制得的。
对比例8
本对比例提供了一种羟基磷灰石涂层，该羟基磷灰石涂层是利用授权公告号为CN101591777B，发明名称为“一种用冷喷涂制备羟基磷灰石涂层的方法”的中国发明专利的具体实施方式中实施例1公开的羟基磷灰石涂层的制备方法制得的。
检测试验
将实施例1-10制备的医用钽金属骨小梁材料的钽金属层、对比例1-6制备的医用钽金属骨小梁材料的钽金属层以及对比例7制备的多孔钛涂层、对比例8中的钛珠涂层进行了孔隙率、孔径、丝径、孔隙连通性进行了相应的检测。上述各项检测项目的检测方法均为按照外科植入物用多孔金属材料X射线CT检测方法进行测定，上述相关项目的检测结果如表2所示。
表2实施例1-10以及对比例1-8中材料的检测结果
Figure BDA0002494091950000101
Figure BDA0002494091950000111
根据上表可知，实施例1-10制备的钽金属层的孔隙率在60％～80％的范围内，且孔隙连通性大于95％，与对比例7和对比例8的孔隙率参数值相比较，本发明提供的钽金属层具有孔隙率高、强度高且孔隙之间的连通性大于95％，具有较好的生物相容性，是作为骨小梁的优选材料。
实施例9和实施例10的不同之处在于所采用的多孔碳基体的参数不同，实施例9采用的多孔碳基体的参数为平均孔径600μm、平均丝径100μm、平均孔隙率90％，实施例10采用的多孔碳基体的参数为平均孔径800μm、平均丝径250μm、平均孔隙率81％。通过实施例9和实施例10制备的钽金属层的检测结果的对比可知，在相同的反应条件下，制备的钽金属层的相关参数与制备过程中利用的多孔碳基体的参数有关，多孔碳基体的平均孔径和平均丝径越大，其所对应的平均孔隙率的百分比越小，利用该种多孔碳基体制备的钽金属层的平均孔径和平均丝径越大，且该钽金属层的平均孔隙率越小。
除了利用的多孔碳基体的参数对制备的钽金属层的参数有影响之外，通过实施例2-9与实施例1的对比可知，制备医用钽金属骨小梁材料的过程中，氩气的通入速率、混合气体的通入速率、高纯氯气的通入速率、高纯氩气的通入速率、反应环境的真空度、反应温度、反应时间以及制备钽金属层的重复次数均对最终制成的钽金属层的平均孔隙率、平均粒径以及平均丝径有较大的影响；进一步地，通过实施例1-9与对比例1-6的对比可知，当混合气体的通入速率处于10000-13000ml/min、高纯氯气的通入速率处于200-240ml/min以及高纯氩气的通入速率处于530-570ml/min的范围内时，不仅可以制备高孔隙率的钽金属层，且上述各项参数处于上述范围内时，混合气体、高纯氯气以及高纯氩气均可以得到高效利用，最大程度的避免了混合气体、高纯氯气以及高纯氩气在反应过程中的浪费，节约成本且符合可持续发展的原则。
另外，由于本发明中的第一反应腔和第二反应腔可以是石英反应腔或高纯石墨反应腔中的任意一种，由于石英和石墨具有良好的化学稳定性、导热性和耐腐蚀性，是比较好的热交换器和反应器，在制备医用钽金属骨小梁材料的过程中，采用石英和石墨材料作为反应器，对制备效率有了进一步的保障。但是石英和石墨均为碳材料，多孔碳基体的材料也为碳材料，均易燃烧，因此在试验过程中，需要严格保证反应过程中的压强以及气体的通入速率，尤其是惰性气体的通入速率，进而保证整个感应过程的安全性。通过试验探究，本试验中各气体通入速率以及反应过程中的压强和温度均处于本发明限定的范围内，在保证试验安全性的基础上，进一步保证了制备医用钽金属骨小梁材料的制备效率和制备效果。
利用实施例1-10制备的钽金属层的厚度在40-100μm的范围内，在实际应用中，可以根据临床上对产品的需要，选择合适的实施例制备具有相应厚度的钽金属层的医用钽金属骨小梁材料，以适应临床需要。
将上述实施例9制备的医用钽金属骨小梁材料，针对利用上述实施例9制备的医用钽金属骨小梁材料与现有技术中的钛合金纤维网状结构、钛珠以及钛合金光滑金属进行对松质骨摩擦力的检测。检测方法为利用500N的垂直力将样品压在牛松质骨上，然后利用另一个平行于牛松质骨的力，拉动牛松质骨，当样品松动时记录拉力的大小，并利用下式计算相应的静摩擦因素，其中牛松质骨为牛腿骨。静摩擦因素的计算公式如下：
Figure BDA0002494091950000121
其中，μ是静摩擦因数；f是最大静摩擦力，单位是N；F是对牛松质骨正压力。
检测结果如表3所示。此外，本发明还对实施例9制备的医用钽金属骨小梁材料进行了硬度和最大植骨应力的检测，并与现有技术中的钛金属做了相应的对比，检测结果如表4所示。
表3各产品对松质骨摩擦力的检测结果
检测项目 静摩擦因素
医用钽金属骨小梁材料 0.88
钛合金纤维网状结构 0.63
钛珠 0.53-0.62
钛合金光滑金属 0.43
表4实施例9制备的钽金属骨小梁与钛金属的对比结果
Figure BDA0002494091950000131
根据表3和表4可知，实施例9制备的医用钽金属骨小梁材料对松质骨摩擦力可达到0.88，均大于现有技术中的钛合金纤维网状结构、钛珠、钛合金光滑金属对松质骨摩擦力，且实施例9制备的钽金属骨小梁材料的硬度处于人体松质骨应力的范围之内，其最大植骨应力可达到67％，显然钽金属骨小梁材料的最大植骨应力也处于人体松质骨应力的范围之内，而钛金属的硬度远大于人体松质骨应力，其最大植骨应力可达到5％，钛金属的最大植骨应力是大于人体松质骨应力，很容易对人体松质骨造成损伤。相比之下，本发明提供的利用钽金属骨小梁材料制备的钽金属骨小梁，可以减小对人体松质骨的损伤，是更好的骨植入产品。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下工艺：五氯化钽气体与高纯氢气在900-1050℃的真空环境下反应6-9 h，置换出的钽金属沉积在基体表面，基体以及沉积在基体表面的钽金属层即为钽金属骨小梁材料；其中，所述五氯化钽气体入真空环境的通入速率为10000~13000 ml/min，所述高纯氢气入真空环境的通入速率为530~570 ml/min，所述真空环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa。
2.根据权利要求1所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：所述五氯化钽气体是利用医用纯钽与高纯氯气在900-1050℃的真空条件下反应制得的，高纯氯气的通入速率为200~240 ml/min，反应环境的真空度大于等于4Pa小于等于13.3Pa。
3.根据权利要求1所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：所述基体为多孔碳基体，多孔碳基体的平均孔径为600-800μm，平均丝径为100-250μm，平均孔隙率为81-90%。
4.根据权利要求1所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：所述沉积在基体表面的钽金属层的厚度为40-100μm。
5.根据权利要求1或2任一所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：反应前向反应环境中通入氩气，氩气的通入速率为10000~13000 ml/min。
6.根据权利要求1所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：将反应过程中产生的尾气通入氢氧化钠溶液中进行尾气处理。
7.根据权利要求1或2任一所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：所述真空环境的材料为石英材料或高纯石墨材料的任意一种。
8.根据权利要求1所述的一种通过化学气相沉积法制备医用钽金属骨小梁材料的制备方法，其特征在于：重复上述反应3-4次，且每次反应置换出的钽金属均沉积在同一基体表面。
9.一种通过化学气相沉积法制备的医用钽金属骨小梁材料，其特征在于：所述钽金属骨小梁材料是利用权利要求1-8任一所述的制备方法制成的。
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