专利名称：一种生物医用多孔钛植入体及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物医用植入体技术，具体说是一种生物医用多孔钛植入体，以及用钛丝或钛合金丝制备生物医用多孔钛植入体的方法。
背景技术：
钛以及钛合金因其优良的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能，被广泛应用于制造人工关节、牙齿根以及其他整形植入体。为达到植入体的永久或半永久生物固定，通常在植入体表面制备一层多孔材料涂层，以期达到永久或半永久生物固定，但是多孔涂层通常很薄，实体基体与多孔涂层之间存在很高的弹性模量梯度，实体基体承担了几乎全部载荷。尽管表面的多孔涂层可以解决表面的生物固定，但是仍然不能避免由于植入体与骨组织力学性能不匹配造成的“应力屏蔽”现象，致使长入孔隙的新生骨量很少，或者长期使用条件下出现植入体周围的骨萎缩情况。多孔材料由于存在孔隙结构，使得弹性模量可以调整到与自然骨相匹配的范围，因此将植入体整体采用多孔材料不仅可以使植入体与骨组织表面的永久或半永久固定，而且由于植入体力学性能与骨组织相匹配从而使植入体可以最大限度地避免“应力屏蔽”现象和随后的骨萎缩发生。由此开发了生物医用多孔钛材料。
为了形成孔隙并更好地控制孔隙度和孔形态，通常的制备方法是钛粉、造孔剂和粘结剂混合压制成形，然后在真空炉中烧结。由于钛高温时化学性质活泼，造孔剂和粘结剂去除温度已经高于钛的氧化温度，因此必须在真空条件下去除造孔剂和粘结剂。即使是这样，造孔剂或粘结剂大量挥发和碳化会参与钛的烧结过程，影响材料的使用性能。而且由于挥发使得形成的孔隙的孔壁上含有大量的微孔，这些微孔在受力时极易产生应力集中，从而导致多孔钛力学性能下降；另外真空条件下去除造孔剂和粘结剂残留的碳化产物对真空设备损伤较大，因此成本较高。因此，开发一种新型的无污染、高力学性能生物医用多孔钛植入体的制备方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物医用多孔钛植入体及其制造方法。本发明由钛丝或钛合金丝制备生物医用多孔钛植入体，不使用造孔剂，孔壁紧实、无污染、强度高，可以实现骨组织长入孔内，形成半永久或永久生物固定。本发明操作简单，实施成本低，可以用于制造齿根和人工关节等医用多孔钛整形植入体。
本发明的技术方案是本发明提出用钛丝或钛合金丝制备的生物医用多孔钛植入体的方法，包括下述步骤(1)将直径为50-1000微米的钛或钛合金丝绕成螺旋体，螺距为50-1000微米、螺径为50-4000微米，然后将螺旋体交叉排列于植入体成形模具中，根据所要达到的孔隙度和孔隙大小的要求进行压制，压制成型后取出；(2)随后在20-60℃下混合溶剂清洗20-30分钟，再混合酸处理20-60分钟，然后水清洗。清洗用混合溶剂为丙酮与无水乙醇的混合物，混合体积比为丙酮∶无水乙醇＝1∶(1-2.5)。混合酸的体积比为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶(10-50)∶(10-50)∶100；(3)然后在真空或氩气保护下900-1400℃烧结0.5-5小时，炉冷至室温；真空保护时，真空度为1.0×10-3Pa-9.9×10-2Pa；氩气保护时，氩气压力为0.05MPa-10MPa(4)随后在混合体积比为(1∶(1-5))的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液构成的混合碱中沸腾处理3-10小时，其中NaOH溶液的浓度为5-10M；(5)再用水清洗干净后，在550-700℃下，干燥1-4小时，自然缓冷至室温，最后得到生物医用多孔钛植入体。
本发明制备的生物医用多孔钛植入体孔隙度为40-80％，孔隙大小为20-2000微米，压缩平台应力可达20-300MPa。
本发明中所说的钛丝可以是商业纯度钛丝(TA1、TA2、TA3、TA4)，也可以是生物医用品质的ER711、ER712；本发明中所说的钛合金丝是钛合金(Ti-6Al-4V)丝或生物医用钛合金丝ER715、TI-6AL-4VELI。
本发明的优点和有益效果是1、本发明由钛丝或钛合金丝制备生物医用多孔钛植入体，不使用造孔剂，孔壁紧实、无污染、强度高、性能稳定，压缩平台应力可达20-300MPa。本发明可以用于制造齿根和人工关节等生物医用多孔钛整形植入体，本发明制造的人工植入体适宜骨组织长入，可以与骨组织形成优良的骨性结合，从而达到永久或半永久生物固定。
2、本发明制备的多孔钛植入体，孔隙度为40-80％，孔隙大小为20-2000微米，其多孔结构为完全开孔结构，与传统植入体相比，可使新生骨组织、脉管系统等更容易长入到孔隙中，形成半永久或永久生物固定。
3、本发明工艺简单、设备要求低，操作方便、实施成本低。
图1为本发明钛或钛合金螺旋体交叉排列于模具进行压制的示意图。
具体实施例方式
通过下述实施可以更好的理解本发明，但这些实例并不用来限制本发明。
实施例1取直径为1000微米的商业纯钛丝TA2，将其绕制成螺距为1000微米、螺径为4000微米的螺旋体，将螺旋体交叉排列于模具中，压制成型后取出。如图1所示，压制成型步骤包括(a)→(b)→(c)→(d)，步骤(a)-(b)为将螺旋体1交叉排列，步骤(c)为将交叉排列的螺旋体1卷成柱状，步骤(d)为将螺旋体卷成柱状后置于模具2的柱状孔内，从上方施加压力进行压制，本实施例中施加的压力为25MPa，压制时间为10分钟；于28℃下用混合体积比为1∶1的丙酮与无水乙醇混合溶剂清洗20分钟，然后用混合酸处理30分钟，混合酸体积比为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶50∶50∶100，之后水冲洗。然后在1400℃真空(真空度为8.0×10-2Pa)下烧结3小时，炉冷至室温；随后在混合体积比为(1∶1)的浓度5M的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液的混合碱中沸腾处理10小时。用清水洗干净后，在700℃下，干燥1小时，自然缓冷至室温，最后得到生物医用多孔钛植入体，孔隙度为40％，孔隙大小为500-2000微米，压缩平台强度为300MPa。
实施例2取直径为50微米的商业高纯钛丝TA1，将其绕制成螺距为50微米、螺径为50微米的螺旋体，将螺旋体交叉排列于模具中，压制成型后取出，见图1，本实施例中施加的压力为5MPa，压制时间为5分钟；于20℃下用混合体积比为1∶1的丙酮与无水乙醇混合溶剂清洗20分钟，然后混合酸处理20分钟，混合酸体积比为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶20∶30∶100。清水冲洗、晾干后在900℃真空(真空度为1.0×10-3Pa)下烧结30分钟，炉冷至室温；随后在混合体积比为(1∶5)、由浓度6M的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液的混合碱中沸腾处理3小时。用水清洗干净后，在600℃下，干燥1小时，缓冷至室温。最后得到生物医用多孔钛植入体，孔隙度为80％，孔隙大小为20-100微米，压缩平台强度为26MPa。
实施例3采用直径为400微米的生物医用钛合金丝Ti-6Al-4VELI，将其绕制成螺距为1200微米、螺径为2000微米的螺旋体，将螺旋体交叉排列于模具中，压制成型后取出，见图1，本实施例中施加的压力为20MPa，压制时间为10分钟。于30℃下用混合体积比为1∶2的丙酮与无水乙醇混合溶剂清洗20分钟，然后用混合酸处理25分钟，混合酸为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶50∶30∶100(体积比)，之后水冲洗。然后在1200℃氩气保护下(压力为10MPa)下烧结3小时，炉冷至室温；随后在混合体积比为(1∶3)的浓度5M的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液的混合碱中沸腾处理6小时。用清水洗干净后，在550℃下，干燥1小时，自然缓冷至室温，最后得到生物医用多孔钛植入体，孔隙度为55％，孔隙大小为200-500微米，压缩平台强度为186MPa。
实施例4取直径为200微米的的生物医用钛合金丝ER715，将其绕制成螺距为1200微米、螺径为1100微米的螺旋体，将螺旋体交叉排列于模具中，压制成型后取出，见图1，本实施例中施加的压力为15MPa，压制时间为10分钟。于30℃下用混合体积比为(1∶2.5)的丙酮与无水乙醇混合溶剂清洗20分钟，然后用混合酸处理30分钟，混合酸为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶20∶50∶100(体积比)，之后水冲洗。然后在1000℃氩气保护下(压力为0.05MPa)下烧结2小时，炉冷至室温；随后在混合体积比为(1∶5)的浓度10M的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液的混合碱中沸腾处理8小时。用清水洗干净后，在650℃下，干燥1小时，自然缓冷至室温，最后得到生物医用多孔钛植入体，孔隙度为60％，孔隙大小为100-600微米，压缩平台强度为100MPa。
权利要求
1.一种生物医用多孔钛植入体，其特征在于孔隙度为40-80％，完全开孔结构，孔隙大小为20-2000微米，压缩平台强度可达20-300MPa。
2.一种生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于包括下述步骤(1)将钛或钛合金丝绕成螺径为50-4000微米的螺旋体，然后将螺旋体交叉排列于模具中压制成型；(2)之后，在20-60℃下混合溶剂清洗20-30分钟，再经混合酸处理20-60分钟，随后水清洗；最后于900-1400℃真空或氩气保护下烧结0.5-5小时，炉冷至室温；(3)最后，在混合碱中沸腾处理3-10小时；水清洗后在550-700℃下干燥1-4小时，缓冷至室温，即得到生物医用多孔钛植入体。
3.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于所用的钛丝或钛合金丝直径为50-1000微米。
4.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于所说的钛丝或钛合金丝绕成螺旋体的螺距为50-1000微米。
5.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于清洗用混合酸的体积比为HF∶HCl∶H2SO4∶H2O＝1∶(10-50)∶(10-50)∶100。
6.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于真空保护时，真空度为9.9×10-2Pa-1.0×10-3Pa；氩气保护时，氩气压力为0.05MPa-10MPa。
7.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于所说的混合碱为5-10M浓度的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)2溶液混合，体积比为1∶(1-5)。
8.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于清洗用混合溶剂为丙酮与无水乙醇的混合物，混合体积比为∶丙酮∶无水乙醇＝1∶(1-2.5)。
9.按照权利要求2所述的生物医用多孔钛植入体的制备方法，其特征在于所用的钛丝可以是商业纯钛丝TA1、TA2、TA3或TA4，可以是生物医用品质的钛丝ER711或ER712；所说的钛合金丝可以是钛合金Ti-6Al-4V丝，可以是生物医用钛合金ER715或Ti-6Al-4VELI丝。
全文摘要
本发明涉及生物医用多孔钛植入体和以钛丝或钛合金丝制备生物医用多孔钛植入体方法。该多孔钛植入体的压缩平台强度为20－300MPa，孔隙度为40－80％，完全开孔结构，孔隙大小为20－2000微米。制备方法将直径为50－1000微米的钛或钛合金丝绕成螺距为50－1000微米和螺径为50－4000微米的螺旋体，然后将螺旋体交叉排列于模具中压制成型。然后经混合溶剂清洗、混合酸清洗以及水清洗后在900－1400℃真空或氩气保护下烧结0.5－5小时。随后经过5－10M的NaOH溶液与过饱和Ca(OH)
文档编号A61L27/56GK101049516SQ200610046258
公开日2007年10月10日 申请日期2006年4月7日 优先权日2006年4月7日
发明者张二林, 邹鹑鸣, 曾松岩, 杨柯 申请人:中国科学院金属研究所