一种低模量高强度生物医用钛合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型生物医用金属材料，具体指一种低模量高强度生物医用钛合 金，同时还涉及该钛合金的制备方法。
【背景技术】
[0002] 人工骨、人工关节以及人工种植齿等人体硬组织替换材料是生物材料中发展最 早、技术最成熟、研究最深入的材料，其应用面广、需求量大，已成为各国研究和开发的重点 和热点，是生物材料研究的重要内容之一。目前开发的硬组织替换材料主要有医用金属材 料、生物陶瓷和医用高分子材料。其中，生物医用金属材料具有高强度、高硬度以及较好的 韧性、抗冲击性、抗疲劳性能和优异的生物相容性，己成为临床应用最为广泛的植入材料。 由于在硬组织替换部位需要承受较大的动载荷，用作硬组织替换的金属材料，除应具有优 异的生物相容性、良好的耐腐蚀性能、不含毒性元素外，其力学性能(尤其是弹性模量）还应 与接触的人体骨骼相接近，使用过程中不产生不利于功能发挥和对其它组织影响的反应。 钛及钛合金因具有比强度高、弹性模量接近于实际骨骼以及耐腐蚀好等特点，特别是生物 相容性好，已成为人体硬组织修复与替代的理想结构与功能材料。
[0003] 钛及其合金在生物医学上的应用发展经历了三个时代：第一代是以纯钛和 Ti-6A1-4V为代表的α型钛合金；第二代是以Ti-5Al-2. 5Fe和Ti-6Al-7Nb为代表的 α + β型钛合金；第三代则是生物相容性更好、弹性模量更低的新型β型钛合金。近年 来，钛合金在生物医用领域的研究和应用呈快速发展的趋势，这也将对钛合金的性能提出 更高的要求，因此不含Al、V、Ni等有毒元素的第三代新型β型钛合金作为最新一代硬组织 植入材料在获得低弹性模量、高强韧性、高生物相容性等综合性能方面获得了重大发展，表 现出巨大的发展潜力，但还是存在一些亟待解决的问题，其中最明显也是最主要的问题是 新型β钛合金与人体骨骼的弹性模量匹配仍然较差。目前临床医学上大量应用的新型β 钛合金的抗压强度均远超人体骨组织，而弹性模量（55~85GPa)也远高于人体骨豁(致密骨 为4~30GPa，松质骨为0. l~2GPa)。这种弹性模量过高的合金植入人体时，金属和骨骼在应 力的作用下将会发生不同程度的应变，应变的不同步使得金属与骨骼的接触界面出现相对 移动，这样会形成松动的界面，以及使力不能完全从植入关节传递到其邻近的自然骨组织， 导致骨的吸收和退化，即发生"应力屏蔽"，从而阻止骨骼的修复和自愈，引起骨质疏松。部 分新型β钛合金的机械性能如表1所示。
[0004] 表1部分新型β钛合金的机械性能
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：针对现有钛合金技术应用在生物医用领域存在的不 足，本发明的目的是提供一种弹性模量低、抗压强度高、无毒性的新型生物医用钛合金，同 时提供所述钛合金的制备方法。
[0006] 本发明的技术方案是：一种低模量高强度生物医用钛合金，该钛合金各组分及其 重量百分比为：11· 5~14· 5%Μο ;6· 5~8. 5% Zr ;L 8~2. 2Ta ;0· 5~L INb ;杂质元素 0、N、C、H 和 Si的总量不大于0. 5%，余量为钛。
[0007] 该钛合金中β相稳定元素 Mo、Ta和Nb总含量的重量百分比为14. 5~19. 5%，中 性元素 Zr重量百分比为6. 5~8. 5%。
[0008] -种低模量高强度生物医用钛合金的制备方法，包括如下步骤：（1)制备原料选 用工业级高纯钛粉、钼粉、锆粉、钽粉和铌粉，根据权利要求1所述钛合金成分配料，在刚玉 球磨罐中把合金粉末球磨混合2h，并添加质量分数为< 1%的硬脂酸锌润滑合金粉体；（2) 使用自制带浮动凹模的双向压制模具，在l〇〇~400MPa压力下将合金粉末预压成型；（3)在 高纯氩气保护下，将预压成型的钛合金毛坯置于高温管式炉中进行高温烧结，升温速度为 3~4K/min，控制其烧结温度为1373~1573K，保温2~5h之后随炉冷却。
[0009] 所述合金粉体润滑剂为烧结后无残留并且无毒的细粉状硬脂酸锌。
[0010] 所述保护气氛为99. 999%的高纯氩气。
[0011] 步骤（2)中所述的双向压制模具包括内圆筒模、模垫、上冲模和下冲模，内圆筒模 放置于模垫上，上冲模和下冲模分别设置于内圆筒模和模垫的内圆内；内圆筒模内径与上 冲模外径相匹配，模垫内径大于下冲模外径，上冲模与下冲模外径相同。
[0012] 模垫有两个半圆组成。
[0013] 本发明的有益效果：物相容性更好、弹性模量更低的新型β型钛合金已经成为新 一代生物医用钛合金的主要研究开发方向。Mo、Ta和Nb三种β相稳定元素均对人体无 毒，在高温烧结过程中大量扩散进入合金基体中，使弹性模量较低的高温β相稳定保留至 室温状态下，并且可以通过控制合金制备过程中的各项工艺参数(如压制压力、烧结温度和 时间等）来较为精确控制合金的组织结构和力学性能。合金制备过程中使用的润滑剂-硬 脂酸锌，在烧结过程中只会残留微量的Zn元素，而Zn元素不会影响合金组织性能并且还是 人体必需的微量元素。
[0014] 具体来讲，本发明的有益效果是： (I)Mo、Ta和Nb三种β相稳定元素以及中性元素 Zr，既能保证材料拥有足够强度的 同时降低合金的弹性模量，又不引入对人体有害元素，能够完全满足生物医用金属材料的 要求。
[0015] (2)本发明使用的添加剂硬脂酸锌，在保证压制成型优良的同时又对人体无害。
[0016] (3)本发明可以通过控制合金制备过程中的工艺参数(如压制压力、烧结温度和时 间等)来较为精确控制合金的组织结构和力学性能，优化Ti-Nb-Ta-Mo-Zr合金的制备工艺。
[0017] (4)本发明具有制备工艺简单、设备要求低、生产成本低的优点。
【附图说明】
[0018] 图1为实例低模量高强度生物医用钛合金微观金相组织照片； 图2为实例低模量高强度生物医用钛合金XRD图谱； 图3为实例低模量高强度生物医用钛合金力学性能曲线； 图4为本发明中自制的双向压制模具结构示意图； 图5为自制的双向压制模具中内圆筒模结构示意图。
【具体实施方式】
[0019] 以下通过具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。
[0020] 本发明采用的Mo、Ta和Nb三种同晶型β相稳定元素可以与钛无限互溶，通过钼 当量计算将其重量总百分比控制在14. 5~19. 5%，进而能够将弹性模量相比较α相更低的 高温β相大量保留至室温，并且粉末冶金过程中必不可免会有孔隙产生，这都大大降低材 料的弹性模量。同时为了保证合金拥有足够的强度，添加6. 5~8. 5%中性元素 Zr来强化材 料。
[0021] 因此，本发明提供的一种低模量高强度生物医用钛合金，各组分及其重量百分比 为：IL 5~14· 5%Μο ;6· 5~8. 5% Zr ;L 8~2. 2Ta ;0· 5~L INb ;余量为钛。其中 β 相稳定元素 Mo、Ta和Nb总含量的重量百分比为