[发明专利]一种多孔钛铜钙材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔钛铜钙材料的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术

Ti及其合金被认为是人工关节、脊柱矫形内固定系统、牙种植体等硬组织替代和修复的首选材料，其中，Ti的应用较为广泛。但是Ti的弹性模量（约110GPa）明显高于人体骨弹性模量（1-30GPa），容易导致移植体与宿主骨之间因载荷传递不协调导致“应力屏蔽”现象，从而造成植入体周围出现骨应力吸收，最终导致植入体的松动和断裂；Ti的生物活性较差，无法与周围骨组织形成有效的化学键合，从而会限制了Ti的临床应用。另外，在实际手术过程中，手术操作或者植入体本身的细菌性感染无可避免，这将导致植入体在植入生物体内较长一段时间都需要通过抗炎症药物辅助控制感染，因个体差异不同，这种感染可能会造成植入体与周围骨组织之间的适应过程延长或者影响植入体的使用寿命。

专利CN201110232840.7、CN201110232842.6和CN201110232843.0在医用钛合金中添加适量的Cu元素，在医用钛合金的基体中析出一种钛铜相，从而赋予医用钛合金抗细菌感染功能，可广泛应用于骨科、口腔科等医学临床领域中使用的各类钛金属医疗器械，以解决现有临床中由医用纯钛医疗器械植入引发的细菌感染等问题。上述专利仅涉及了抗菌性，而材料仍不具有生物活性。

钙是一种生物活性元素，而单质钙Ca熔点低（850℃）且易氧化，容易与氧发生反应，而氧的引入将显著降低Ti的力学性能（YuQ,LiangQ,TsuruT,etal.Metallurgy.Originofdramaticoxygensolutestrengtheningeffectintitanium.Science,2015,347(6222):635-639.），影响Ti移植体的使用寿命和治疗效果；目前的研究多采用磷酸钙或者磷灰石等化合物的形式改善Ti的生物活性，但仍然不能避免氧的引入。

基于此，本发明通过采用无污染的造孔剂以及粉末的机械合金化球磨方法结合放电等离子烧结技术，制备一种低弹性模量、高强度、优异生物活性和良好抗菌性的生物材料。

发明内容

本发明针对目前Ti生物材料存在的问题，提供了一种多孔钛铜钙医用材料的制备方法；目的在于进一步提高人工植入物的力学活性和抗菌性，同时解决植入物与骨组织的弹性模量和力学性能不匹配而导致骨产生应力屏蔽、阻碍骨组织生长、愈合问题。

具体包括工艺步骤如下：

（1）按Ti85～97%、Cu1～5%、Ca2～10%的质量百分比，分别称取Ti、Cu、Ca粉末，将粉末放入球磨罐中进行机械合金化，用酒精密封后抽真空至20~30Pa，然后球磨50~100h，所得Ti-Cu-Ca合金化粉末仍置于酒精中，备用；

（2）将步骤（1）中得到的Ti-Cu-Ca合金化粉末与NH₄HCO₃粉末在混料机内混合120~240min得到混合粉末；混合粉末中Ti-Cu-Ca合金化粉末的质量百分比为95%~75%，NH₄HCO₃粉末的质量百分比为5%~25%。

（3）将步骤（2）得到的混合粉末装入不锈钢模具，在200~500MPa的单项压力下冷压成型，退模后得到块体压坯。

（4）将步骤（3）得到的块体压坯装入石墨模具中，再置入放电等离子烧结炉中，系统真空抽至2~6Pa后进行烧结，升温速率为50~100min/℃，在800～1000℃下保温5～10min，随炉冷却至室温即可得多孔钛铜钙医用材料。

本发明步骤（1）中钛金属粉末纯度≥99.95%、Cu金属粉末纯度≥99.99%、Ca金属粉末纯度≥99.9%，上述粉末平均粒度在25μm~1mm范围内。

本发明中所采用的NH₄HCO₃粉末的粒径为100~700μm。

本发明的原理：由于纯钛具有较高弹性模量，仅靠添加Cu和Ca难以有效降低其弹性模量，从而导致植入物与周围组织产生“应力屏蔽”现象。因此，在Ti-Cu-Ca合金中引入独特的孔隙结构不仅能够有利于成骨细胞在其表面粘附、增殖，促使新骨组织长入孔隙从而实现植入体在宿主内形成长期生物固定，还有效的降低植入体的弹性模量，减弱“应力屏蔽”，从而大大降低了植入体松动和断裂的风险。

与现有技术相比，本发明的优点在于：