专利名称：一种具有生物活性的钛基梯度复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物医学金属基复合材料领域，具体涉及一种具有生 物活性的钛基梯度复合材料及其制备方法。
技术背景生物医用材料又称生物材料，它是对生物体进行诊断、治疗和置 换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。生物材料的开发应用对保障人类的健康、国家的经济前途和社会的和谐发展具有重要的意义。生物材料的研究近20年来飞速发展， 被许多国家列入高技术关键新材料发展计划，并迅速成为国际高技术 制高点之一。目前，每年发生创伤的人数在全世界约数千万，在中国 大陆约三百万，其中相当一部分骨创伤者需要进行不同程度的早期救 治或晚期修复，骨组织修复材料对此有着重要意义，市场需求也非常 巨大。以骨缺损修复材料为例，1995年世界仅生物陶瓷的市场销售 额就达94亿美元。近10年来，生物材料和制品市场一直保持15% 左右的年增长率，预计10到15年内将达到药物市场规模，而我国硬 组织替换增长率高达30%，远高于美国的4%。虽然如此，我国生物 材料和制品所占世界市场份额仍不足1.5%，存在巨大落差，具有巨 大发展空间。目前人体骨骼和牙齿等生物硬组织用置换(修复)材料大多为轧 制或铸造钛材料，虽然钛材料具有耐腐蚀、强度高和生物相容性等特点，但是轧制或铸造钛材料的弹性模量明显高于人体骨，因而降低了 材料的生物力学相容性，限制了钛材料的应用。粉末冶金方法制备的 钛材料因具有适量的孔隙，因而使材料的弹性模量下降，材料的生物 力学相容性有所改善，然而粉末冶金方法制备的钛材料生物活性依然 存在较大欠缺，材料的表面生物力学相容性还有待提高。羟基磷灰石是一种极有应用前景的材料。它是人体骨骼组织主要 的无机成分。植入体内后在体液的作用下，钙和磷会游离出材料表面 被机体组织所吸收，并生长出新的组织。羟基磷灰石能与人体骨骼组 织形成化学键结合，是一种典型的生物活性材料。研究表明羟基磷灰 石的晶粒越细，其生物活性越高。梯度复合材料是一种材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在 空间连续梯变的复合材料，在核能、电子、光学、化学、电磁学、生 物医学以至日常生活领域都有着一定的潜在应用前景。发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有生物活性 的钛基梯度复合材料的制备方法，该方法是以钛为基体，通过粉末冶 金方法梯度复合羟基磷灰石从而制备得到一种具有生物活性的钛基 梯度复合材料。本发明的另一个目的在于提供一种由上述方法制备得到的具有 生物活性的钛基梯度复合材料。本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的一种钛基梯度复合材料的制备方法，包括如下步骤(1) 将钛粉置于模具内腔中心；(2) 将钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀，将混合物置于模具内腔边缘；(3)将模具内腔的粉末压制成形，然后真空烧结，即得钛基梯 度复合材料。上述步骤(1)和步骤(2)中，钛粉的粒度为5pm 100nm，即 钛粉粒度为-200目。上述步骤(2)中，钛粉占混合物总体积的90% 99%，纳米羟 基磷灰石占混合物总体积的1%~10%;优选，钛粉占混合物总体积的 91% 99%，纳米羟基磷灰石占混合物总体积的1%~9%;更优选，钛 粉占混合物总体积的95.1% 98%，纳米羟基磷灰石占混合物总体积 的2%~4.9%。上述步骤(3)中，真空烧结的温度为1050°C~1200°C。 钛具有优良的生物相容性和高比强度，其弹性模量较之其他金属 更为接近骨组织，而自然条件下机加工后的钛为一层钝化态氧化膜， 呈生物惰性，不能与骨组织形成生物化学键合， 一般认为钛不是生物 活性材料。羟基磷灰石能与人体骨骼组织形成化学键结合，是一种典 型的生物活性材料，可赋予钛生物活性，且羟基磷灰石的晶粒越细， 其生物活性越高。因此，本发明根据上述制备方法，以钛为基体梯度 复合具有生物活性的纳米羟基磷灰石，从而制备得到具有生物活性的 钛基梯度复合材料。本发明的具有生物活性的钛基梯度复合材料可用于制备人体骨 骼和牙齿等硬组织用生物置换(修复)体。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果1.粉末冶金方法制备的纯钛材料抗弯强度大于1000 MPa，明显 高于人体骨，具备高的承载能力，本发明复合材料的中心采用粉末冶 金方法制备的纯钛材料，提高了整个复合材料的承载能力。2、 采用粉末冶金方法制备的纯钛材料具有一定的孔隙率，因此 其弹性模量低于轧制或铸造纯钛材料，即粉末冶金方法制备的纯钛材 料生物力学相容性有所改善。本发明复合材料的边缘采用在钛粉中加 入纳米羟基磷灰石粉，增加了粉末冶金制备的复合材料的孔隙率，进 一步降低了复合材料的弹性模量，复合材料表面压縮弹性模量7.9 GPa 18.5GPa，与人体骨接近。3、 本发明复合材料边缘采用在钛粉末中加入纳米羟基磷灰石粉 方法，使粉末冶金制备的复合材料表层的孔隙率增加，使得复合材料 的强度有所下降，但是复合材料表面抗弯强度大于140MPa,仍高于 或相当于人体骨。4、 本发明复合材料的边缘采用在钛粉末中加入纳米羟基磷灰石 粉方法，从而使得粉末冶金制备的钛基梯度复合材料的生物活性提 高，复合材料表面的生物活性明显高于粉末冶金制备的纯钛材料。
具体实施方式
实施例1 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1)将粒度为5pm 100Min的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5^un 100pm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀 (钛粉占混合物总体积的90%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的10%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在IIO(TC真空烧结，即 得具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度154MP4压縮弹性模量9.3GPa。实施例2 —种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度为5pm 100Mm的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5Mm 100nm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀 (钛粉占混合物总体积的98%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的2%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在110(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度860MPa，压縮弹性模量17GPa。实施例3 —种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度为5pm 100^m的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5Mm 100pm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀 (钛粉占混合物总体积的95.1 %，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的4.9%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在115(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钕基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度435MPa，压縮弹性模量14GPa。实施例4 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度为5Mm 100Min的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5lim 100Mm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀7(钛粉占混合物总体积的90%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的 10%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3)将模具内腔的粉末压制成形，然后在105(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度144MPa，压縮弹性模量7.9GPa。实施例5 —种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度为5pm 100pm的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5nm 100Mm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀 (钛粉占混合物总体积的91%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的9%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在110(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度170MPa，压縮弹性模量9.8GPa。实施例6 —种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度为5^m 100nm的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度为5^an 100^m的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀 (钛粉占混合物总体积的99%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的1%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在120(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料，复合材料的表面抗弯强度950MPa，压縮弹性模量18.5GPa。实施例7 —种具有生物活性的钛基梯度复合材料 一种具有生物活性的钛基梯度复合材料，其制备方法如下(1) 将粒度5Mm 100Mm的钛粉置于模具内腔中心；(2) 将粒度5pm 100)om的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀(钛 粉占混合物总体积的97%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的 3%)，将混合物置于模具内腔边缘；(3) 将模具内腔的粉末压制成形，然后在120(TC真空烧结，即得 具有生物活性的钛基梯度复合材料。该复合材料的表面生物活性高于粉末冶金方法制备的纯钛材料， 复合材料的表面抗弯强度720MPa，压縮弹性模量16GPa。
权利要求
1. 一种钛基梯度复合材料的制备方法，其特征在于包含如下步骤(1)将钛粉置于模具内腔中心；(2)将钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀，将混合物置于模具内腔边缘；(3)将模具内腔的粉末压制成形，然后真空烧结，即得钛基梯度复合材料。
2、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和 步骤(2)中所述钛粉的粒度为5nm 10(Him。
3、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中 所述钛粉占混合物总体积的90% 99%，所述纳米羟基磷灰石粉占混 合物总体积的1% 10%。
4、 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钛粉占 混合物总体积的95.1% 98%，纳米羟基磷灰石粉占混合物总体积的 2% 4.9%。
5、 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中 所述真空烧结的温度为1050°C 1200°C。
6、 一种钛基梯度复合材料，其特征在于由权利要求1所述方法 制备得到。
全文摘要
本发明公开一种具有生物活性的钛基梯度复合材料及其制备方法与应用。本发明的复合材料是将5μm～100μm的钛粉置于模具内腔中心；将5μm～100μm的钛粉与纳米羟基磷灰石粉混合均匀置于模具内腔边缘；将模具内腔的粉末压制成形，然后真空烧结，即得。本发明的复合材料可用于制备人体骨骼和牙齿等硬组织用生物置换体。本发明的复合材料其中心采用粉末冶金方法制备的纯钛材料，抗弯强度明显高于人体骨，具备高的承载能力。本发明的复合材料其边缘采用在钛粉末加入具有生物活性纳米羟基磷灰石粉的方法，增加了粉末冶金制备的复合材料的孔隙率，进一步降低了复合材料的弹性模量，同时也提高了整个复合材料的生物活性。
文档编号A61L27/06GK101250634SQ20081002712
公开日2008年8月27日 申请日期2008年4月1日 优先权日2008年4月1日
发明者英 刘, 卫 李 申请人:暨南大学