CN101181646A - 强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，属于生物工程技术领域。步骤为：采用一层或多层不锈钢、钛或钛合金丝网为原料，通过叠层设计、卷曲压制、整形；将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，使其形成一个整体；将形成的多孔不锈钢或多孔钛材置于真空或保护气氛下烧结，烧结后得到强韧型烧结网状多孔不锈钢或多孔钛材料。本发明可得到不同尺寸规格、不同孔隙率及孔径分布的强韧型烧结网状多孔不锈钢或多孔钛材料。孔径和孔隙度具有良好的可控性，其有利于骨细胞长入、有优异的生物融合性、较低的弹性模量、较好的强韧性，且制造方法简单，速度快，成品率高，成本低。

Description

强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的制备方法，具体涉及一种强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法。

背景技术

骨修复或骨移植是骨科主要临床手术，所使用的各类修复材料中，金属生物材料经历了“第一代”的不锈钢和“第二代”的钴铬或钴铬钼合金，但由于其弹性模量远比骨骼高，植入后不利于自然骨骼组织的再造和愈合，故临床应用在逐步减少，只是鉴于不锈钢用作生物材料的成本相对较低，才一直没有被最终取代。“第三代”钛及其合金是能够承受载荷的重要生物医学材料，然而，这些医用钛材料至少还存在以下问题：(1)大量临床使用经验证实，钛材料弹性模量远远高于人体天然骨，容易产生应力遮蔽效应，不利于植入体与骨骼组织的融合，在受到较大载荷的情况下容易破坏人体骨，并使患者感到疼痛，长时间会引起植入体松动。(2)钛表面包覆的氧化膜，使得钛难以与肌体组织紧密结合，导致植入体松动、影响其功能的发挥。

针对上述金属生物材料存在的问题，主要有两种解决的途径，一种是寻找低弹性模量的合金成分，并结合材料成形过程控制，制备出低弹性模量的钛或不锈钢材料，这种思路尽管取得很大研究进展，但至今还没得到有真正应用价值的与自然骨弹性模量相匹配的合金材料；另一种是制备多孔钛或多孔不锈钢材料，如果在植入体表面或将植入体本身设计成多孔结构，可有效地改善其与肌体组织的融合性。这种构思的关键在于如何控制多孔结构的孔隙率和均匀性。通过控制孔隙密度、分布、孔径尺寸，来获得低弹性模量和较好的力学性能。

多孔不锈钢或钛材料通常的制备方法有：(1)粉末冶金法，经过金属制粉(金属粉末与发泡粉末按比例配制并混匀)、压制成型、烧结等工艺环节，优点是泡沫组织均匀、孔隙度在一定范围内容易调节，缺点是工艺过程非常复杂，多道工序，制造成本高。(2)通过向液态金属中注入气体，冷却后形成多孔金属，优点是工艺简单，缺点是气孔密度和均匀性不容易精确控制，对于钛材料由于很容易吸气，会严重影响凝固后的泡沫材料力学性能。(3)固-气相共晶凝固方法，要求金属与某一气相存在共晶反应，凝固时气体作为共晶相中的一部分析出，从而形成泡沫结构。(4)金属电沉积法，该方法是由原子态金属在有机多孔基体内表面沉积后，去除有机体并烧结而成，由此方法所获得的泡沫金属的主要特点是孔连通，孔隙率高(均在80％以上)，具有三维网络结构。这类泡沫金属材料是一种性能优异的功能结构材料，但其强度性能受到一定的限制。

经对现有技术的文献检索发现，Bing-Yun Li在《Materials Science andEngineering A》2000年281期第169-175页上发表的“The influence ofaddition of TiH₂ in elemental powder sintering porous Ni-Ti alloys”(添加剂TiH₂对粉未烧结多孔镍钛合金的影响)，该文中采用粉末冶金法制造多孔镍钛合金材料，具体方法是：首先将镍粉、钛粉与少量的发泡剂混匀；其次将混匀的混合物压制成无残余通(开)孔的密实块体；然后再真空烧结。其工艺过程非常复杂，多道工序，制造成本较高。

综上所述，传统的多孔金属制造技术普遍存在着工艺与成本方面的不足，并且尚不能解决高强度、高韧性、低弹性模量这一对矛盾。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，使其多孔结构更好地改进了人造骨骼的生物学特性，且制造方法简单，速度快，成品率高，成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括以下步骤：

(1)采用一层或多层不锈钢、钛或钛合金丝网为原料，通过叠层设计、卷曲压制、整形；

所述不锈钢、钛或钛合金丝网可以是平纹密纹或斜纹密纹网结构；鉴于多孔植入体内骨长入所需要最小通孔的孔径为100μm，被广泛接受的优选孔径范围为100～500μm，故丝网原料的目数设计在35～140目范围内(即丝网孔径为106～500μm)。

所述的多层指根据具体所需孔隙率和孔径分布而确定，层数可为1～5层。

所述的叠层设计是指以下两种情况同时使用或者采用其中一种：a、所层叠的原料丝网的孔径大小(即目数)一致，得到孔隙率和孔径分布均匀的丝网多孔材料；b、所层叠的原料丝网的孔径大小(即目数)不一致，得到孔隙率和孔径按周期梯度分布的丝网多孔材料。

所述的卷曲压制，是指采用“轮辊式”装置同时进行卷曲缠绕并压制成型。

(2)将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，使其形成一个整体；

(3)将第(2)步形成的多孔不锈钢或多孔钛材置于真空或保护气氛下烧结，烧结后得到不同尺寸规格、不同孔隙率及孔径分布的强韧型烧结网状多孔不锈钢或多孔钛材料。

所述的多孔不锈钢或多孔钛材的形状根据具体需要而定，可以是中空的或棒状的。

所述烧结，烧结参数根据所需孔隙率、材料材质而定，可以为：烧结温度范围1200～1300℃，烧结时间1～5小时，当材料为不锈钢丝网时，可选择氢气作为保护气氛；当材料为钛/钛合金丝网时，可选择纯氩作为保护气氛。

本发明利用烧结金属丝网制造多孔材料具有相当突出的优点：具有网孔尺寸均匀的特性，可以灵活地对材料的孔隙尺寸、渗透性能和机械强度进行合理的匹配与设计，可以将孔隙度控制在更大的范围(～95％)，且在最大的孔隙度下仍然保持了材料的结构性能。在相同的孔隙度下，强度的韧性比其他制备方法高出几倍以上。气孔全部为相互贯通的连通孔；具有良好的透过性、渗透性；还具有较高的机械强度、抗腐蚀性能和热稳定性能。例如：本发明制备的丝网多孔生物钛材，孔隙率61％，孔隙相互连通，屈服强度155.8MPa、抗弯强度163.0MPa、弹性模量4.06GPa。

本发明得到的强韧型烧结网状多孔不锈钢或丝网多孔钛材料主要用作人体骨骼修复和移植材料，例如人工股骨、人工膝关节等。作为植入修复材料，这种结构的材料非常类似骨结构(即具有良好的仿真性)，而且在物理特性和机械特性方面比其他假体金属更接近骨，其独特的、高孔性、高负重强度、高韧性、低弹性模量的多孔结构，能承受生理性负荷，容许生理负重条件下使应力屏蔽最小化；非常有助于诱导骨的形成，并且能够快速、广泛地使软组织渗入并牢固地附着。简而言之，强韧型烧结网状多孔不锈钢或钛材料在增加界面结合力、改善与肌体组织的相容性、及提高骨修复或移植的成功率方面有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法流程图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，将1～5层规格为35～140目的不锈钢或钛/钛合金丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的多孔不锈钢或钛材置于真空(真空度为1×10^-3Pa)或保护气氛(当材料为不锈钢丝网时，可选择氢气作为保护气氛；当材料为钛/钛合金丝网时，可选择纯氩作为保护气氛)下烧结，烧结温度范围：1200～1300℃，烧结时间：1～5小时。烧结后得到不同尺寸规格、不同孔隙率及孔径分布的强韧型烧结网状多孔不锈钢或多孔钛材料。

实施例1

将1层规格为70目的不锈钢丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的中空多孔不锈钢置于真空(真空度为1×10^-3Pa)下烧结，烧结温度范围：1200℃，烧结时间：1小时。烧结后得到孔隙率为54％的强韧型烧结网状多孔不锈钢材料，中空型，样品直径10mm。

实施例2

将规格为50和100目各1层的不锈钢丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的中空多孔不锈钢置于氢气气氛下烧结，烧结温度范围：1300℃，烧结时间：3小时。烧结后得到孔径按周期梯度分布的强韧型烧结网状多孔不锈钢材料，中空型，平均孔隙率为63％，样品直径20mm。

实施例3

将规格为1层40、2层60和1层100目各种不锈钢丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的多孔不锈钢棒置于真空(真空度为1×10^-3Pa)下烧结，烧结温度范围：1250℃，烧结时间：5小时。烧结后得到孔径按周期梯度分布的强韧型烧结网状多孔不锈钢材料，棒状型，平均孔隙率为46％，样品直径15mm。

实施例4

将5层规格为100目的TA9钛合金丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的多孔钛棒置于真空(真空度为1×10^-3Pa)下烧结，烧结温度范围：1200℃，烧结时间：2小时。烧结后得到孔隙率为38％的强韧型烧结网状多孔钛材料，棒状型，样品直径30mm。

实施例5

将规格为35和80目各1层的TA0纯钛丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的中空多孔钛材置于纯氩气氛下烧结，烧结温度范围：1300℃，烧结时间：4小时。烧结后得到孔径按周期梯度分布的强韧型烧结网状多孔钛材料，中空型，平均孔隙率为71％，样品直径15mm。

实施例6

将规格为2层50目、2层80目和1层140目的TA2纯钛丝网，通过叠层设计、卷曲压制、整形，将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，然后，将该预成型的多孔钛棒置于真空(真空度为1×10^-3Pa)下烧结，烧结温度范围：1250℃，烧结时间：5小时。烧结后得到孔径按周期梯度分布的强韧型烧结网状多孔钛材料，棒状型，平均孔隙率为58％，样品直径25mm。

Claims (10)

1.一种强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用一层或多层不锈钢、钛或钛合金丝网为原料，通过叠层设计、卷曲压制、整形；

(2)将已经叠层压制好的丝网材料的最外层焊接在邻近的里层丝网材料上，使其形成一个整体；

(3)将第(2)步形成的多孔不锈钢或多孔钛材置于真空或保护气氛下烧结，烧结后得到强韧型烧结网状多孔不锈钢或多孔钛材料。

2.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述不锈钢、钛或钛合金丝网是平纹密纹或斜纹密纹网结构。

3.根据权利要求1或2所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述不锈钢、钛或钛合金丝网，其目数在35～140目范围内。

4.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述的多层，其层数为1～5层。

5.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述的叠层设计，是指以下两种情况中的一种或两种：

a、所层叠的原料丝网的孔径大小一致，得到孔隙率和孔径分布均匀的丝网多孔材料；

b、所层叠的原料丝网的孔径大小不一致，得到孔隙率和孔径按周期梯度分布的丝网多孔材料。

6.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述的卷曲压制，是指采用“轮辊式”装置同时进行卷曲缠绕并压制成型。

7.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述的多孔不锈钢或多孔钛材的形状，是中空的或棒状的。

8.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述烧结，其温度为1200～1300℃，时间为1～5小时。

9.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述真空，其真空度为1×10^-3Pa。

10.根据权利要求1所述的强韧型烧结金属网状多孔材料的制备方法，其特征是，所述保护气氛，是指：当材料为不锈钢丝网时，选择氢气作为保护气氛；当材料为钛/钛合金丝网时，选择纯氩作为保护气氛。