CN105251057A - 一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。本发明所述方法将金属纯钛粉末和羟基磷灰石陶瓷粉末混合均匀，混合均匀后与碳酸氢铵进行混合得到混合粉末，将混合后粉末机械压制成块体压坯，再置入放电等离子烧结炉中，按梯级加热方式进行烧结，退模即得到多孔纯钛/羟基磷灰石复合材料。本发明制备得到的多孔纯钛/羟基磷灰石复合材料不仅具有弹性模量低，孔隙参量可控，力学适配性好等特点，还赋予了其良好的生物活性和骨结合能力，随着羟基磷灰石在人体内的骨诱导作用，逐步诱导骨组织长入孔隙，实现生物固定，使骨整合效果大大增加；该材料特别适用于人体硬组织缺陷的生物医用工程，如人工关节、人工骨、齿科种植体等。

Description

一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术

随着医疗水平的提高，对人体用植入生物医用材料的力学性能、生物相容性和生物活性要求越来越高。因此，对于生物医用钛（Ti）植入产品来说，除了满足必要的力学、耐磨耐蚀性能以及生物安全性以外，还需要具备良好的生物活性与骨结合（骨整合）能力。由于单一生物材料制备的产品不能很好的满足临床应用，因此利用合理的工艺技术将具有不同优点的生物材料合成制备成生物医用复合材料，已成为生物医用材料的一个新方向。Ti-羟基磷灰石（HA）生物医用复合材料具有Ti良好的机械性能、耐腐蚀性能和生物相容性特点，又具有HA生物陶瓷可降解和成骨诱导作用的特点，成为极具竞争力的生物医用复合材料。

但是，现有的Ti-HA生物复合材料弹性模量（100GPa左右）远高于人体骨骼的弹性模量（松质骨杨氏模量≤2GPa，密质骨杨氏模量2～20GPa），植入后可引起骨吸收、萎缩直至假体松动等一系列并发症，因而并未在临床上得到应用。

基于以上原因，本发明提出将具有优异力学性能与生物相容性能的多孔Ti与具有优异生物活性和骨结合能力的HA相结合进行功能复合化，采用SPS技术，在不添加粘结剂和模板剂的情况下，制备出与多孔纯钛，成骨活性显著增强的生物医用多孔纯钛/羟基磷灰石复合材料，可作为良好的人造骨组织修复或替换材料，实现在临床上的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有致密Ti-HA复合材料弹性模量远高于人骨弹性模量，植入体内后导致骨吸收、萎缩直至植入体脱落等问题。

本发明的目的在于提供一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，在不添加粘结剂和模板剂的情况下制备可诱导骨生长的多孔Ti-HA复合材料的方法，得到成分纯净、孔隙参量可控、弹性模量低、强度适宜、和成骨活性好的生物医用多孔Ti-HA复合材料，具体包括以下步骤：

（1）制备Ti-HA混合粉末：将粒度为25～45μm的Ti金属粉末和粒度为80~100nm的HA粉末混合均匀得到Ti-HA混合粉末；

（2）添加成孔因子：将步骤（1）中得到的Ti-HA混合粉末与粒度为300～1000μm的NH₄HCO₃粉末在混料机内混合30～60min得到混合粉体；

（3）制备复合材料块体：将步骤（2）得到的混合粉体装入不锈钢模具中，在80～150MPa的单向压力下冷等静压成型，退模后得到复合材料块体压坯；

（4）制备多孔Ti-HA复合材料：将步骤（3）中得到的复合材料块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至6～10Pa后进行烧结，烧结过程中持续抽真空使得NH₄HCO₃完全分解挥发后再随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

优选的，本发明步骤（1）中所述Ti金属粉末纯度大于等于99.5%，HA粉末纯度大于等于99.5%。

优选的，本发明步骤（1）中所述的Ti-HA混合粉末通过球磨的方式制备得到，球磨过程的真空度为8～10Pa，球磨时间为2～4小时。

优选的，本发明所述Ti-HA混合粉末中Ti金属粉末的质量百分比为60%～80%，HA的质量百分比为40%～20%。

优选的，本发明步骤（2）中所得的混合粉体中Ti-HA粉末的质量百分比为85%～55%、NH₄HCO₃粉末的质量百分比为15%～45%。

优选的，本发明步骤（3）中单向压力为80～150MPa。

优选的，本发明步骤（4）中所述的烧结过程中，按梯级加热方式，将坯料以80～100℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度900～1000℃后保温3～5min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1050～1250℃后保温10～15min。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）材料成分纯净、无污染，生物相容性好；由于在制备过程中不添加任何粘结剂和模板剂，且选择的NH₄HCO₃造孔剂在较低的温度下就完全挥发，因而制备的多孔Ti-HA复合材料无任何杂质残留；

（2）孔隙参量可控，成骨活性好；所制备的多孔Ti-HA复合材料孔隙率为36～78%、孔隙尺寸为300～1000μm，其独特的孔隙结构和粗糙的内外表面将有利于成骨细胞的粘附、增殖；同时，生物活性高的HA均匀分布在多孔Ti基体中，可诱导新骨组织长入孔隙，增加了骨组织与植入体之间的结合强度，成骨量增加，提高了材料的成骨活性，使植入体与骨之间形成稳定的生物固定；

（3）强度和弹性模量与人工骨匹配性好。所制备的多孔Ti-HA复合材料强度为26～368MPa、弹性模量为2.6～19.6GPa，与人工骨（弹性模量≤20GPa，抗压强度100～230MPa）相近，从而减轻和消除了“应力-屏蔽”效应，避免了植入体的松动或断裂；

（4）采用本发明方法制备的多孔Ti-HA复合材料可作为理想的人造骨组织修复或替换材料，适用于制备牙种植体、人工关节、骨创伤产品等材料，同时本发明方法工艺简单、操作方便、成本低廉，易于实现工业化生产。

附图说明

图1本发明不同HA含量的多孔Ti-HA复合材料XRD衍射图谱。

图2本发明实施例1多孔Ti-20%HA金相组织形貌图。

图3为本发明实施例1多孔Ti-20%HA孔壁SEM形貌图。

图4为本发明实施例1多孔Ti-20%HA与模拟体液共培养7天后的SEM形貌图。

图5为本发明实施例1多孔Ti-30%HA与模拟体液共培养7天后的SEM形貌图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述一种生物医用多孔Ti-HA复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取：按Ti80%，HA20%的质量百分比，分别称取粒度为45μm、纯度为99.5%的Ti金属粉末和粒度为100nm，纯度为99.5%的HA粉末；

（2）制备复合原料粉体：将步骤（1）称取的粉末放入球磨机的球磨罐中，抽真空至8Pa，然后进行球磨混粉2小时，得到混合Ti-HA粉末；

（3）称取：按步骤（2）得到的混合Ti-HA粉末80%、NH₄HCO₃20%的质量百分比，分别称取混合Ti-HA粉末和平均粒度为300μm、纯度为分析纯的NH₄HCO₃造孔剂粉末；

（4）添加成孔因子：将步骤（3）称取的粉末放入混料机内混合30min，得到混合粉末；

（5）制备高密度复合材料块体：将步骤（4）得到的混合粉末放入不锈钢模具中，通过压头施加150MPa单向压力，冷等静压成型后退模得到块体压坯；

（6）获得多孔Ti-HA复合材料：将步骤（5）中得到的块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至6Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以100℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度900℃后保温3min，然后以50℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1200℃后保温10min，烧结过程中持续抽真空使得NH₄HCO₃完全分解挥发后再随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

按本例中相同的工艺条件，按Ti金属粉末75%、HA25%的质量分数，Ti金属粉末70%、HA30%质量分数，Ti金属粉末65%、HA35%质量分数，Ti金属粉末60%、HA40%质量分数，分别称取Ti金属粉末和HA粉末，并按步骤（2）-（6）得到多孔Ti-HA复合材料，连同本例按Ti金属粉末80%、HA20%的质量分数称取烧结得到的多孔Ti-HA复合材料，利用X射线衍射仪（XRD）进行分析（如图1所示）。从图中可以看出，试样的主相为Ti和HA，表明其成分纯净，无其他杂质相。随着HA含量的增多，HA发生部分分解，并与Ti发生化合反应生成的具有生物活性的副相，如CaTiO₃、Ti₂O也渐渐增多。

利用金相显微镜和扫描电镜（SEM）观察到多孔Ti-HA的孔隙和孔壁形貌，如图2,3所示。试样的孔隙呈均匀的分布状态，大孔与小孔并存，部分孔隙之间互相连通，这有利于在材料在植入后营养物质和体液的相互传输，加速骨病愈合过程。试样的孔壁呈现光滑均匀的状态，未看到原料粉末以颗粒形式存在，表明原料颗粒在短短数分钟内就已经熔化并联结在一起，烧结充分。同时还可以看到试样不仅大孔周边有均匀的小孔分布，而且在光滑的大孔孔壁上也分布着相当数量的小孔，保证孔结构的内连通，有利于增加植入体与骨之间的结合强度。

参考ASTME9-89a标准，在力学试验机上对本例中多孔Ti-HA进行了弹性模量和抗压强度的测试，测试结果表明多孔Ti-HA的弹性模量在2.6~19.3GPa，抗压强度在26~368MPa，与人体密致骨力学性能（弹性模量≤20GPa，抗压强度130~230MPa）相近，可较好的解决植入体与人骨之间应力屏蔽的问题。

将上述复合材料与人体模拟体液共培养7天后，当HA添加量仅20%时，即可看到复合材料表面形成均匀的类骨磷酸盐沉积层，如图4所示。当HA添加量增加到30%时，类骨羟基磷灰石沉积层明显增厚，表现出优异的生物活性，如图5所示。利用MTT法（细胞毒性测试）检测材料对细胞的凋零和毒性影响，发现该复合材料对成年兔骨髓间充质干细胞得细胞毒性为0级，满足植入材料的使用要求。

实施例2

本实施例所述一种生物医用多孔Ti-HA复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取：按Ti75%，HA25%的质量百分比，分别称取粒度为45μm、纯度为99.5%的Ti金属粉末和粒度为80nm，纯度为99.5%的HA粉末；

（2）制备复合原料粉体：将步骤（1）称取的粉末放入球磨机的球磨罐中，抽真空至9Pa，然后进行球磨混粉3小时，得到混合Ti-HA粉末；

（3）称取：按步骤（2）得到的混合Ti-HA粉末85%、NH₄HCO₃15%的质量百分比，分别称取混合Ti-HA粉末和平均粒度为400μm、纯度为分析纯的NH₄HCO₃造孔剂粉末；

（4）添加成孔因子：将步骤（3）称取的粉末放入混料机内混合60min，得到混合粉末；

（5）制备高密度复合材料块体：将步骤（4）得到的混合粉末放入不锈钢模具中，通过压头施加80MPa单向压力，冷等静压成型后退模得到块体压坯；

（6）获得多孔Ti-HA复合材料：将步骤（5）中得到的块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至10Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以90℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度950℃后保温4min，然后以60℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1050℃后保温15min，烧结过程中持续抽真空使得NH₄HCO₃完全分解挥发后再随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

按本例中相同的工艺条件，将混合后的粉末经冷压成型之后，第一级梯度烧结过程相同，在1100℃、1150℃、1200℃、1250℃温度下进行第二级梯度烧结，连同本例在1050℃烧结得到的生物医用多孔Ti-HA复合材料，用相对密度法进行测量、并通过计算获得多孔Ti-HA复合材料的孔隙率，参考ASTME9-89a标准，通过力学压缩实验获得了多孔Ti-HA复合材料的压缩强度和弹性模量。

从测量结果可知，在1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃五种烧结温度下，随烧结温度的升高，试样的孔隙率在49.8%~37.5%范围内逐渐减小，而抗压强度（87~296MPa）和弹性模量（5.9~15.3GPa）增大，其力学性能与人体骨组织相匹配，同时能够满足临床上对材料孔隙尺度的要求；将上述复合材料与人体模拟体液共培养14天后，复合材料表面发现有大量的类骨磷酸盐沉积，表现出良好的生物活性。利用MTT法（细胞毒性测试）检测材料对细胞的凋零和毒性影响，发现该复合材料对成年兔骨髓间充质干细胞得细胞毒性为0级，满足植入材料的使用要求。

实施例3

本实施例所述一种生物医用多孔Ti-HA复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取：按Ti70%，HA30%的质量百分比，分别称取粒度为40μm、纯度为99.5%的Ti金属粉末和粒度为90nm，纯度为99.5%的HA粉末；

（2）制备复合原料粉体：将步骤（1）称取的粉末放入球磨机的球磨罐中，抽真空至10Pa，然后进行球磨混粉4小时，得到混合Ti-HA粉末；

（3）称取：按步骤（2）得到的混合Ti-HA粉末90%、NH₄HCO₃10%的质量百分比，分别称取混合Ti-HA粉末和平均粒度为500μm、纯度为分析纯的NH₄HCO₃造孔剂粉末；

（4）添加成孔因子：将步骤（3）称取的粉末放入混料机内混合35min，得到混合粉末；

（5）制备高密度复合材料块体：将步骤（4）得到的混合粉末放入不锈钢模具中，通过压头施加150MPa单向压力，冷等静压成型后退模得到块体压坯；

（6）获得多孔Ti-HA复合材料：将步骤（5）中得到的块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至8Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以80℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度1000℃后保温5min，然后以80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1050℃后保温12min，烧结过程中持续抽真空使得NH₄HCO₃完全分解挥发后再随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

分别按Ti-HA70%、NH₄HCO₃30%，Ti-HA60%、NH₄HCO₃40%，Ti-HA55%、NH₄HCO₃45%的质量百分比进行称取原料粉末，然后按本例中相同的工艺条件将混合后的粉末在第二级梯度温度1050℃下进行烧结，连同本例按Ti-HA85%、NH₄HCO₃15%的质量百分比称量得到的生物医用多孔Ti-HA复合材料，利用相对密度法进行测量、并计算获得多孔Ti-HA复合材料的孔隙率，参考ASTME9-89a标准，通过力学压缩实验获得了多孔Ti-HA复合材料的压缩强度和弹性模量。孔隙率从36.1%～78.6%范围内可控，抗压强度（233～119MPa）和弹性模量（2.3～17.9GPa）分别随孔隙率增加而减小，其力学性能与人体骨组织相匹配，同时能够满足临床上对材料孔隙尺度的要求。将上述复合材料与人体模拟体液共培养21天后，复合材料表面发现有大量的类骨磷酸盐沉积，表现出良好的生物活性。利用MTT法（细胞毒性测试）检测材料对细胞的凋零和毒性影响，发现该复合材料对成年兔骨髓间充质干细胞得细胞毒性为0级，满足植入材料的使用要求。

实施例4

本实施例所述一种生物医用多孔Ti-HA复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）称取：按Ti60%，HA40%的质量百分比，分别称取粒度为25μm、纯度为99.5%的Ti金属粉末和粒度为95nm，纯度为99.5%的HA粉末；

（2）制备复合原料粉体：将步骤（1）称取的粉末放入球磨机的球磨罐中，抽真空至10Pa，然后进行球磨混粉4小时，得到混合Ti-HA粉末；

（3）称取：按步骤（2）得到的混合Ti-HA粉末75%、NH₄HCO₃25%的质量百分比，分别称取混合Ti-HA粉末和平均粒度为300μm、纯度为分析纯的NH₄HCO₃造孔剂粉末；

（4）添加成孔因子：将步骤（3）称取的粉末放入混料机内混合40min，得到混合粉末；

（5）制备高密度复合材料块体：将步骤（4）得到的混合粉末放入不锈钢模具中，通过压头施加100MPa单向压力，冷等静压成型后退模得到块体压坯；

（6）获得多孔Ti-HA复合材料：将步骤（5）中得到的块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至7Pa后进行烧结，按梯级加热方式，将坯料以70℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度1000℃后保温5min，然后以80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1050℃后保温10min，烧结过程中持续抽真空使得NH₄HCO₃完全分解挥发后再随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

筛分平均粒度为500μm、700μm、1000μm的NH₄HCO₃造孔剂粉末。然后按本例中相同的工艺条件以Ti-HA75%、NH₄HCO₃25%的质量百分比分别称取原料粉末，将混合后的粉末，在1050℃下进行二级梯度温度烧结，连同本例平均粒度为300μm的NH₄HCO₃造孔剂得到的生物医用多孔Ti-HA复合材料，参考ASTME9-89a标准，通过力学压缩实验获得了多孔Ti-HA复合材料的压缩强度和弹性模量。抗压强度（171～138MPa）和弹性模量（19.6～5.8GPa）分别随造孔剂直径的增加而减小，其力学性能与人体骨组织相匹配，同时能够满足临床上对材料孔隙尺度的要求。将上述复合材料与人体模拟体液共培养28天后，复合材料表面发现有大量的类骨磷酸盐沉积，表现出良好的生物活性。利用MTT法（细胞毒性测试）检测材料对细胞的凋零和毒性影响，发现该复合材料对成年兔骨髓间充质干细胞得细胞毒性为0级，满足植入材料的使用要求。

上述结果表明，利用本发明方法制备的生物医用多孔Ti-HA复合材料具有以下优点：

（1）材料成分纯净、无污染，生物相容性好。（2）所制备的多孔Ti-HA复合材料强度为26～368MPa、弹性模量为2.6～19.6GPa，与人工骨弹性模量（≤20GPa）相匹配，减轻和消除了“应力-屏蔽”效应的同时还具有较高的承载强度，避免了植入体的松动或断裂；（3）孔隙参量可控，成骨活性好。所制备的多孔Ti-HA复合材料孔隙率为36～78%、孔隙尺寸为300～1000μm。同时，生物活性高的HA均匀分布在多孔Ti基体中，可诱导新骨组织长入孔隙，增加了骨组织与植入体之间的结合强度，成骨量增加，提高了材料的成骨活性，使植入体与骨之间形成稳定的生物固定。因此，采用本发明方法制备的多孔Ti-HA复合材料可作为理想的人造骨组织修复或替换材料，适用于制备牙种植体、人工关节、骨创伤产品等材料，同时本发明方法工艺简单、操作方便、成本低廉，易于实现工业化生产。

Claims (7)

1.一种多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）制备Ti-HA混合粉末：将粒度为25～45μm的Ti金属粉末和粒度为80~100nm的HA粉末混合均匀得到Ti-HA混合粉末；

（2）添加成孔因子：将步骤（1）中得到的Ti-HA混合粉末与粒度为300～1000μm的NH₄HCO₃粉末在混料机内混合30～60min得到混合粉体；

（3）制备复合材料块体：将步骤（2）得到的混合粉体装入不锈钢模具中，在的单向压力下冷等静压成型，退模后得到复合材料块体压坯；

（4）制备多孔Ti-HA复合材料：将步骤（3）中得到的复合材料块体压坯装入石墨模具中，然后置于放电等离子烧结炉中，系统真空抽至6～10Pa后进行烧结，烧结过程中持续抽真空，随炉冷却至室温，退模即得到生物医用多孔Ti-HA复合材料。

2.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述Ti金属粉末纯度大于等于99.5%，HA粉末纯度大于等于99.5%。

3.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的Ti-HA混合粉末通过球磨的方式制备得到，球磨过程的真空度为8～10Pa，球磨时间为2～4小时。

4.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：所述Ti-HA混合粉末中Ti金属粉末的质量百分比为60%～80%，HA的质量百分比为40%～20%。

5.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所得的混合粉体中Ti-HA粉末的质量百分比为85%～55%、NH₄HCO₃粉末的质量百分比为15%～45%。

6.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中单向压力为80～150MPa。

7.根据权利要求1所述的多孔钛/羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（4）中所述的烧结过程中，按梯级加热方式，将坯料以80～100℃/min的升温速度加热至第一级梯度温度900～1000℃后保温3～5min，然后以50～80℃/min的升温速度加热至第二级梯度温度1050～1250℃后保温10～15min。