CN108165811B - 一种高强度可降解纳米医用多孔钛镁复合材料的制备方法 - Google Patents
一种高强度可降解纳米医用多孔钛镁复合材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种可降解具有人体亲和性且力学性能接近人骨的纳米钛镁复合材料的制备方法，具体来说是一种新型多孔钛镁复合材料，应用于医疗植入领域。本发明提供具有纳米晶粒组织的多孔钛镁复合材料以钛、镁、硅、钒、银为初始组元，其组成可用aTi‑bMg‑cSi‑dV‑eAg‑f（TiC‑SiC‑VC）表示，其中a=40,b=10,c=45,d=3，e=1.5，f=0.5且a+b+c+d+e+f=100，最终通过化学去除法获得高强度医用纳米多孔钛镁复合材料TiMg‑3V‑1.5Ag‑0.5（TiC‑SiC‑VC）钛镁多孔复合材料。形成具有高度开放的多孔结构的纳米材料，使材料具有与人体相近的力学性能，并且镁在植入人体后可缓慢自行降解，为身体原有骨组织向内生长提供可能，促进植入材料与身体原有骨组织的愈合。
Description
技术领域
本发明涉及一种可降解具有人体亲和性且力学性能接近人骨的纳米钛镁复合材料的制备方法，具体来说是一种新型多孔钛镁复合材料，应用于医疗植入领域。
背景技术
目前用于医学的金属以及合金主要有医用不锈钢、医用钴基合金、医用钛及其合金、医用镁合金等金属及合金，传统的医用金属及合金存在易腐蚀、溶出离子可能诱发疾病、引起细胞和组织坏死，力学性能差、无生物活性、耐磨性差、疲劳和断裂韧性不甚理想等缺点。且传统植入物刚度过高，由于这种应力遮挡，大且刚性的股骨假体，不建议骨密度低患者使用，这涉及到一个应力遮挡引起的骨骼吸收和骨骼流失。临床试验中，在植入物两年内，有超过12％的患者患有中度或严重的骨骼流失。传统医用材料和人体亲和性和可降解性差，骨组织不能向内生长，不能和人体骨骼愈合。
发明内容
本发明专利的目的是针对现在用于医学领域的合金的不足，为了减少植入体与周围骨组织的不匹配，实现人工植入物转移到相邻的骨骼的刚度优化加载，提供了一种具有良好的生物活性、可降解、且力学性能接近人骨具有高度开放的多孔结构的纳米材料。
本发明是通过如下技术方案来实现：
本发明提供的具有纳米晶粒组织的多孔钛镁复合材料以钛、镁、硅、钒、银为初始组元，其组成可用aTi-bMg-cSi-dV-eAg-f(TiC-SiC-VC)表示，其中a＝40,b＝10,c＝45,d＝3，e＝1.5，f＝0.5且a+b+c+d+e+f＝100，最终通过化学去除法获得高强度医用纳米多孔钛镁复合材料TiMg-3V-1.5Ag-0.5(TiC-SiC-VC)钛镁多孔复合材料。具有纳米晶粒组织的多孔钛镁复合材料，其优点及特殊之处在于：其是用钛、镁、硅、钒、银等成分为基本组元，人体必须微量元素钒、镁，其中镁具有良好的可降解性，在植入人体后可以自动缓慢分解，硅后期用碱腐蚀后可以形成高度开放的多孔结构，以及钛的存在使其具有可靠的硬度条件，而多孔的钛又能使其具有与人体骨骼相近的力学性能，孔的存在为骨组织向内生长提供可能，钒可以和钛很好的结合，使材料具有良好的综合性能。银金属的添加，使材料具有广谱抗菌属性，提高了该材料的医用功能。采用将颗粒状材料配制好后用丙酮粘合直接压制成毛坯，避免了传统金属烧结过程产生有毒物质，并且是通过三叉形模具通道不用取件即可反复挤压形具有成纳米晶粒组织的钛镁复合材料，将形成的纳米材料置于碱中腐蚀以形成具有高度开放的多孔结构的纳米材料，在材料植入人体后可缓慢自行降解，为骨组织向内生长以及植入骨骼和人体骨组织愈合提供可能。本发明提供了一种高强度多孔纳米医用可降解钛镁复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)配料制坯：取Cp Ti粉末，Mg颗粒(纯度为99.6％)，Si颗粒(纯度99.9％)，V颗粒(纯度99.9％)，Ag颗粒(纯度99.9％)和TiC-SiC-VC晶须颗粒，将粉末共混物在氩气填充的手套箱中称重，然后与重量比为1％的异丙醇混合并搅拌3分钟。随后，将该元素混合物浆料从密封容器中的手套箱中取出并倒入压力机模具入口通道，同时通过背压式冲头阻塞出口通道，将混合物在50MPa下冷压，并在室温下干燥5分钟，使异丙醇蒸发并且颗粒之间的粘附力消失。最终加工成D10mm×68mm的棒状试样。
(2)获得纳米组织：将试样装入包套，包套外形尺寸为D12mm×70mm，内腔为D10mm×68mm，通过三叉形模具通道不用取件即可实现反复挤压，获得具有纳米晶粒组织的钛镁复合材料，三叉形模具通道的挤压参数为：冲头挤压速度为1mm/s，通过旋转三叉形模具6次可累积足够变形获得高强度纳米材料。
(3)形成具有高度开放的多孔结构的材料：将由三叉形模具生产的棒状纳米材料在60℃的5M氢氧化钠(NaOH)水溶液中浸泡12小时以除去Si。用于除去Si的反应：Si(s)+2NaOH(aq)+H2O(aq)＝Na2SiO3(aq)+2H2(g)
将去除Si材料的多孔Ti/Mg复合材料在蒸馏温水洗涤并在空气当中干燥24小时，最终获得具有45％孔隙率的多孔Ti基复合材料。
上述步骤(1)中碳化钛-碳化硅-碳化钒晶须颗粒的制备工艺为：氧化钛-碳化硅-碳化钒晶须前驱体材料化学成分及重量百分比为：V2O5：25.4～28.2％，Ti：19.6～19.8％，SiO2：25.4～28.2％，C：20.2～22.6％，Mn：0.1～0.9％，NaCl：1.0～8.1％。将按比例配制的能够生成碳化钛-碳化硅-碳化钒晶须的先驱体复合粉末加无水乙醇于球磨机中进行机械化球磨48小时，获得具有200-600nm晶粒尺寸超细先驱体复合粉末，将粉末装入石墨容器中，在氩气气氛保护和1550℃-1800℃的温度条件下，保温90min-180min合成。
SiO2+2C＝(加热)Si+2CO↑
Si+C＝(加热)SiC
V2O5+7C＝(加热)2VC+5CO↑
Ti+C＝(加热)TiC
本发明采用了碳化钛-碳化硅-碳化钒增强可降解纳米医用多孔钛镁复合材料，其特征在于：该材料沿挤压流线形成定向排列的碳化钛-碳化硅-碳化钒晶须和钛镁复合材料基体材料组成，晶须直径为200-800nm。
本发明提供了一种高强度纳米医用可降解钛镁复合材料的制备方法与现存医用合金相比其优点在于：
1.首先是配方上创新：采用钛、镁、硅、钒以一定比例混合，其中选CPTi，而不是常用的钛镁复合材料，是因为它不会在体内释放TiC合金元素，且钛是一种能通过放射一致的波长使细胞电离调节人体电流的元素，从而产生对人体有益的生理作用，钛具有优异的力学性能、耐蚀性和生物相容性，能够提供足够的机械强度，通过形成高度开放的多孔结构，使材料具有与人体骨骼相近的力学性能；Mg和V是人体必需的微量元素，钒可以很好的和钛相结合；Mg粉和Si粉作为空间材料,无论是镁还是硅都不会引起细胞毒性,并且镁具有温和、可吸收、生物相容性好等优点，硅后期可用碱腐蚀掉以形成具有高度开放的多孔结构的材料，镁的降解行为使它成为生物可降解植入材料，植入后可在人体内自行降解，为骨组织向内生长，以及置入骨骼与人体骨组织愈合提供可能。
2.其次是制作工艺流程的创新：
(a)采用将颗粒状材料均匀配制通过异丙醇粘合后直接压制形成毛坯，克服传统金属熔炼烧结可能产生有毒物质这一缺点。
(b)采用三叉形模具通道，无需取件即可完成反复挤压使试样发生剧烈塑性变形从而获得具有纳米晶粒组织的钛镁复合材料。获得的纳米材料具有强度高、韧性好、力学性能好、具有良好的耐疲劳耐腐蚀性以及可降解等优点。
3.形成材料形态结构的创新：将加工形成的纳米材料加入碱腐蚀掉硅，且镁后期在人体内可自行降解，以形成具有高度开放的多孔结构的纳米材料，使材料具有与人体相近的力学性能，并且镁在植入人体后可缓慢自行降解，为身体原有骨组织向内生长提供可能，促进植入材料与身体原有骨组织的愈合。
4.本发明所需的制备方法工艺简单，易于实现大批量自动化生产，可用于医学植入领域。
附图说明：
下面是结合附图和实施例对本发明的具体实施方案进行详细地说明。
图1是将颗粒状材料均匀混合粘合后通过压力机进行压制成型的示意图；
图2是成型的棒状试样示意图；
图3是本发明具体实施例中通过三叉形模具通道反复挤压变形制备具有纳米晶粒组织的钛镁复合材料的示意图；
图4是将棒状材料用碱处理形成多孔材料的示意图；
上述图中的标记为：
图1是将颗粒状材料均匀混合并通过强压进行压制成型的示意图的1.压力机上盖2.压力机型腔3.压力机下盖4.棒状试样挤出通道。
图2是成型的棒状试样示意图的1.包套盖片2.包套3.试样。
图3是本发明具体实施例中通过三叉形模具通道反复挤压变形制备具有纳米晶粒组织的钛镁复合材料的示意图装置图的1.凸模，2.挤压件毛坯，3.旋转凹模，4.预应力夹具，5.顶杆，6.背压顶杆，7.预应力夹具底座。
图4是将棒状材料用碱处理形成多孔材料的示意图的1.烧杯2.NaOH溶液3.棒状纳米材料。
具体实施方式：
实例一：一种高强度纳米医用多孔钛镁复合材料的制备方法将Ti粉末，Mg颗粒(纯度为99.6％)，Si颗粒(纯度99.9％)，V颗粒，Ag颗粒和TiC-SiC-VC晶须颗粒按摩尔量比为40:10:45:3:1.5:0.5均匀混合配制好后，用异丙醇粘合，然后在压力机上通过压力机模具挤压，并在室温下干燥5分钟，使异丙醇蒸发并且颗粒之间的粘附力消失，最终形成D10mm×68mm的棒状试样；将棒状试样装入包套通过三叉形通道反复旋转，挤压6次，产生剧烈塑性变形获得具有纳米晶粒组织的钛镁复合材料，将三叉形模具通道生产的棒状纳米材料放入60℃的5L氢氧化钠(NaOH)水溶液中浸泡12小时以除去Si，洗涤并用蒸馏的温水超声波清洁，然后蒸馏温水洗涤并在空气当中干燥24小时，最终获得具有45％孔隙率的多孔钛基复合材料。本发明提供的具有纳米晶粒组织的Ti-10Mg-45Si-3V-1.5Ag-0.5(TiC-SiC-VC)钛镁复合材料可采用简单的金属压力加工设备制备，然后通过化学去除法获得高强度纳米Ti-3V-1.5Ag-0.5(TiC-SiC-VC)钛镁多孔复合材料，获得的多孔纳米材料具有和人体骨骼相近的力学性能，具有可靠的机械硬度和强度以及良好的韧性。并且具有良好的可降解性，因此，本发明材料具有潜在的应用价值，可用于医学植入领域。
Claims (1)
1.一种高强度医用纳米多孔钛镁复合材料的制备方法，其特征是：以钛、镁、硅、钒为组元作为基本材料，将颗粒状材料按照一定的比例混合配制通过异丙醇粘合后直接进行粉末压制形成毛坯，将毛坯通过三叉形模具通道不用取件发生反复挤压产生剧烈塑性变形，积累足够等效应变，达到晶粒细化，获得具有纳米晶粒组织的高强度材料，然后将纳米材料置入氢氧化钠水溶液中腐蚀掉硅以形成具有高度开放的多孔结构的纳米材料；
（a）具有纳米晶粒组织的多孔钛镁复合材料以钛、镁、硅、钒、银为初始组元，其组成用aTi-bMg-cSi-dV-eAg-f（TiC-SiC-VC）表示，其中a=40, b=10, c=45, d=3, e=1.5, f=0.5且a+b+c+d+e+f=100，最终通过化学去除法获得高强度医用纳米多孔钛镁复合材料TiMg-3V-1.5Ag-0.5（TiC-SiC-VC）；
（b）按步骤（a）提供的金属颗粒初始组元按比例均匀配制，将粉末共混物在氩气填充的手套箱中称重，然后与重量比为1％的异丙醇混合并搅拌3分钟； 随后，将混合物浆料从密封容器中的手套箱中取出并倒入压力机模具入口通道，同时通过背压式冲头阻塞出口通道，将混合物在50MPa下冷压，并在室温下干燥5分钟，使异丙醇蒸发并且颗粒之间的粘附力消失；最终加工成D10mm×68mm的棒状试样；
(c)按步骤（a）提供的金属颗粒组元经过压缩成形，通过三叉形模具通道不用取件完成反复剧烈塑性变形获得具有纳米晶粒组织的高强度钛镁复合材料；通道反复挤压加工参数为：冲头的挤压速度为1mm/s，通过旋转三叉形模具6次累积足够变形获得高强度纳米材料；
(d）按步骤（a）提供的金属颗粒组元形成的棒状试样，在60℃的5L氢氧化钠水溶液中浸泡12小时以除去Si，然后蒸馏温水洗涤并在空气当中干燥24小时，最终获得具有45％孔隙率的多孔钛镁复合材料。
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