專利名稱：一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種具有生 物活性的鈦基梯度復(fù)合材料及其制備方法。
技術(shù)背景生物醫(yī)用材料又稱生物材料，它是對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療和置 換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。生物材料的開發(fā)應(yīng)用對(duì)保障人類的健康、國(guó)家的經(jīng)濟(jì)前途和社會(huì)的和諧發(fā)展具有重要的意義。生物材料的研究近20年來飛速發(fā)展， 被許多國(guó)家列入高技術(shù)關(guān)鍵新材料發(fā)展計(jì)劃，并迅速成為國(guó)際高技術(shù) 制高點(diǎn)之一。目前，每年發(fā)生創(chuàng)傷的人數(shù)在全世界約數(shù)千萬，在中國(guó) 大陸約三百萬，其中相當(dāng)一部分骨創(chuàng)傷者需要進(jìn)行不同程度的早期救 治或晚期修復(fù)，骨組織修復(fù)材料對(duì)此有著重要意義，市場(chǎng)需求也非常 巨大。以骨缺損修復(fù)材料為例，1995年世界僅生物陶瓷的市場(chǎng)銷售 額就達(dá)94億美元。近10年來，生物材料和制品市場(chǎng)一直保持15% 左右的年增長(zhǎng)率，預(yù)計(jì)10到15年內(nèi)將達(dá)到藥物市場(chǎng)規(guī)模，而我國(guó)硬 組織替換增長(zhǎng)率高達(dá)30%，遠(yuǎn)高于美國(guó)的4%。雖然如此，我國(guó)生物 材料和制品所占世界市場(chǎng)份額仍不足1.5%，存在巨大落差，具有巨 大發(fā)展空間。目前人體骨骼和牙齒等生物硬組織用置換(修復(fù))材料大多為軋 制或鑄造鈦材料，雖然鈦材料具有耐腐蝕、強(qiáng)度高和生物相容性等特點(diǎn)，但是軋制或鑄造鈦材料的彈性模量明顯高于人體骨，因而降低了 材料的生物力學(xué)相容性，限制了鈦材料的應(yīng)用。粉末冶金方法制備的 鈦材料因具有適量的孔隙，因而使材料的彈性模量下降，材料的生物 力學(xué)相容性有所改善，然而粉末冶金方法制備的鈦材料生物活性依然 存在較大欠缺，材料的表面生物力學(xué)相容性還有待提高。羥基磷灰石是一種極有應(yīng)用前景的材料。它是人體骨骼組織主要 的無機(jī)成分。植入體內(nèi)后在體液的作用下，鈣和磷會(huì)游離出材料表面 被機(jī)體組織所吸收，并生長(zhǎng)出新的組織。羥基磷灰石能與人體骨骼組 織形成化學(xué)鍵結(jié)合，是一種典型的生物活性材料。研究表明羥基磷灰 石的晶粒越細(xì)，其生物活性越高。梯度復(fù)合材料是一種材料的化學(xué)和結(jié)晶學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、空隙等在 空間連續(xù)梯變的復(fù)合材料，在核能、電子、光學(xué)、化學(xué)、電磁學(xué)、生 物醫(yī)學(xué)以至日常生活領(lǐng)域都有著一定的潛在應(yīng)用前景。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有生物活性 的鈦基梯度復(fù)合材料的制備方法，該方法是以鈦為基體，通過粉末冶 金方法梯度復(fù)合羥基磷灰石從而制備得到一種具有生物活性的鈦基 梯度復(fù)合材料。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種由上述方法制備得到的具有 生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。本發(fā)明的上述目的是通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種鈦基梯度復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟(1) 將鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3)將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后真空燒結(jié)，即得鈦基梯 度復(fù)合材料。上述步驟(1)和步驟(2)中，鈦粉的粒度為5pm 100nm，即 鈦粉粒度為-200目。上述步驟(2)中，鈦粉占混合物總體積的90% 99%，納米羥 基磷灰石占混合物總體積的1%~10%;優(yōu)選，鈦粉占混合物總體積的 91% 99%，納米羥基磷灰石占混合物總體積的1%~9%;更優(yōu)選，鈦 粉占混合物總體積的95.1% 98%，納米羥基磷灰石占混合物總體積 的2%~4.9%。上述步驟(3)中，真空燒結(jié)的溫度為1050°C~1200°C。 鈦具有優(yōu)良的生物相容性和高比強(qiáng)度，其彈性模量較之其他金屬 更為接近骨組織，而自然條件下機(jī)加工后的鈦為一層鈍化態(tài)氧化膜， 呈生物惰性，不能與骨組織形成生物化學(xué)鍵合， 一般認(rèn)為鈦不是生物 活性材料。羥基磷灰石能與人體骨骼組織形成化學(xué)鍵結(jié)合，是一種典 型的生物活性材料，可賦予鈦生物活性，且羥基磷灰石的晶粒越細(xì)， 其生物活性越高。因此，本發(fā)明根據(jù)上述制備方法，以鈦為基體梯度 復(fù)合具有生物活性的納米羥基磷灰石，從而制備得到具有生物活性的 鈦基梯度復(fù)合材料。本發(fā)明的具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料可用于制備人體骨 骼和牙齒等硬組織用生物置換(修復(fù))體。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1.粉末冶金方法制備的純鈦材料抗彎強(qiáng)度大于1000 MPa，明顯 高于人體骨，具備高的承載能力，本發(fā)明復(fù)合材料的中心采用粉末冶 金方法制備的純鈦材料，提高了整個(gè)復(fù)合材料的承載能力。2、 采用粉末冶金方法制備的純鈦材料具有一定的孔隙率，因此 其彈性模量低于軋制或鑄造純鈦材料，即粉末冶金方法制備的純鈦材 料生物力學(xué)相容性有所改善。本發(fā)明復(fù)合材料的邊緣采用在鈦粉中加 入納米羥基磷灰石粉，增加了粉末冶金制備的復(fù)合材料的孔隙率，進(jìn) 一步降低了復(fù)合材料的彈性模量，復(fù)合材料表面壓縮彈性模量7.9 GPa 18.5GPa，與人體骨接近。3、 本發(fā)明復(fù)合材料邊緣采用在鈦粉末中加入納米羥基磷灰石粉 方法，使粉末冶金制備的復(fù)合材料表層的孔隙率增加，使得復(fù)合材料 的強(qiáng)度有所下降，但是復(fù)合材料表面抗彎強(qiáng)度大于140MPa,仍高于 或相當(dāng)于人體骨。4、 本發(fā)明復(fù)合材料的邊緣采用在鈦粉末中加入納米羥基磷灰石 粉方法，從而使得粉末冶金制備的鈦基梯度復(fù)合材料的生物活性提 高，復(fù)合材料表面的生物活性明顯高于粉末冶金制備的純鈦材料。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1)將粒度為5pm 100Min的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5^un 100pm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻 (鈦粉占混合物總體積的90%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的10%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在IIO(TC真空燒結(jié)，即 得具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度154MP4壓縮彈性模量9.3GPa。實(shí)施例2 —種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度為5pm 100Mm的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5Mm 100nm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻 (鈦粉占混合物總體積的98%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的2%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在110(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度860MPa，壓縮彈性模量17GPa。實(shí)施例3 —種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度為5pm 100^m的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5Mm 100pm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻 (鈦粉占混合物總體積的95.1 %，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的4.9%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在115(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的釹基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度435MPa，壓縮彈性模量14GPa。實(shí)施例4 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度為5Mm 100Min的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5lim 100Mm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻7(鈦粉占混合物總體積的90%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的 10%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3)將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在105(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度144MPa，壓縮彈性模量7.9GPa。實(shí)施例5 —種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度為5pm 100pm的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5nm 100Mm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻 (鈦粉占混合物總體積的91%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的9%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在110(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度170MPa，壓縮彈性模量9.8GPa。實(shí)施例6 —種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度為5^m 100nm的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度為5^an 100^m的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻 (鈦粉占混合物總體積的99%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的1%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在120(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料，復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度950MPa，壓縮彈性模量18.5GPa。實(shí)施例7 —種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料 一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料，其制備方法如下(1) 將粒度5Mm 100Mm的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2) 將粒度5pm 100)om的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻(鈦 粉占混合物總體積的97%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的 3%)，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3) 將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后在120(TC真空燒結(jié)，即得 具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料。該復(fù)合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制備的純鈦材料， 復(fù)合材料的表面抗彎強(qiáng)度720MPa，壓縮彈性模量16GPa。
權(quán)利要求
1. 一種鈦基梯度復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包含如下步驟(1)將鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；(2)將鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻，將混合物置于模具內(nèi)腔邊緣；(3)將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后真空燒結(jié)，即得鈦基梯度復(fù)合材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)和 步驟(2)中所述鈦粉的粒度為5nm 10(Him。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中 所述鈦粉占混合物總體積的90% 99%，所述納米羥基磷灰石粉占混 合物總體積的1% 10%。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述鈦粉占 混合物總體積的95.1% 98%，納米羥基磷灰石粉占混合物總體積的 2% 4.9%。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中 所述真空燒結(jié)的溫度為1050°C 1200°C。
6、 一種鈦基梯度復(fù)合材料，其特征在于由權(quán)利要求1所述方法 制備得到。
全文摘要
本發(fā)明公開一種具有生物活性的鈦基梯度復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明的復(fù)合材料是將5μm～100μm的鈦粉置于模具內(nèi)腔中心；將5μm～100μm的鈦粉與納米羥基磷灰石粉混合均勻置于模具內(nèi)腔邊緣；將模具內(nèi)腔的粉末壓制成形，然后真空燒結(jié)，即得。本發(fā)明的復(fù)合材料可用于制備人體骨骼和牙齒等硬組織用生物置換體。本發(fā)明的復(fù)合材料其中心采用粉末冶金方法制備的純鈦材料，抗彎強(qiáng)度明顯高于人體骨，具備高的承載能力。本發(fā)明的復(fù)合材料其邊緣采用在鈦粉末加入具有生物活性納米羥基磷灰石粉的方法，增加了粉末冶金制備的復(fù)合材料的孔隙率，進(jìn)一步降低了復(fù)合材料的彈性模量，同時(shí)也提高了整個(gè)復(fù)合材料的生物活性。
文檔編號(hào)A61L27/06GK101250634SQ20081002712
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者英 劉, 衛(wèi) 李 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)