专利名称：纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种医疗器械技术领域的器械零件的制备方法，具体涉及的是一种纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法。
背景技术：
我国每年有骨折患者100万人左右，最常规的治疗方法即在骨折处植入起固
定作用的骨钉。理想的骨植入材料应有以下基本特性1)无毒，非致癌性，生物及血液相容性好；2)可实现骨长入和骨融合或实现体内降解；3)植入体组织与骨组织相同或相似；4)高强韧性，具有良好的生物力学性能；5)制备工艺简单，成本低。到目前为止，植入骨钉的发展经历了第一代"惰性材料(金属)"，第二代"可吸收生物医用材料"和第三代"异种皮质骨材料"骨螺钉，然而每一代骨螺钉都有其不足。第一代骨钉材料以不锈钢为主，虽然具有良好的力学性能和耐蚀性，但生物相容性及力学相容性不好，在人体内容易造成感染、炎症及过敏反应，不能骨长入和骨融合，也不能体内降解，需要二次手术取出，大大增添了病人的痛苦。第二代骨钉材料以高分子聚合物PGA和PLLA为代表，该骨钉具有良好的生物相容性，可降解，但其弹性模量较低，同时其降解速度快于成骨速度，导致其力学相容性不好。第三代骨钉材料主要为异种皮质骨，其良好的生物相容性，骨长入和骨融合而备受关注，成为"生物"骨钉。但该种骨钉质脆，抗扭强度低，在植入过程及植入后容易折断或拧断，在一定程度上限制了其使用。另外，骨钉植入后的松动也是上述三代骨钉无法克服的缺陷，松动不仅造成手术的失败，也给病人带来巨大的痛苦。
大量的研究表明，骨诱导过程是一个三维过程，因此，具有独特三维贯通孔结构的多孔材料可以满足诱导骨生长要求，有利于体液在植入体内的传输，可使成骨细胞粘附、分化和生长，允许骨组织长入孔隙内，使骨-植入体界面面积大大增加，加之骨和多孔结构之间的机械嵌锁作用，使植入体与骨组织之间形成生物固定，提高植入体-骨界面结合强度。另一方面，基体材料的多孔化可以有效的降低材料的弹性模量和强度。因此，通过控制多孔植入体的孔隙率， 孔径大小，孔隙形貌等参数来获得植入体合适的弹性模量和强度，使之与骨组 织的力学性能相匹配。材料的多孔化为具有优良生物相容性及生物力学性能的 钛及钛合金的应用提供了更为广泛的前景。目前，多孔钛材料的制备方法有1) 粉末冶金法，2)浆料发泡法，3)固-气相共晶凝固法，4)金属电沉积法，5)
电火花烧结法。
经对现有技术的文献检索发现，Y.B.An等在《Materials Chemistry and Physics》2006年第95期第242-247页上发表的"Synthesis of porous titanium implantes by environmental-electro-discharge-sintering process"， 该 文中采用电火花烧结方法制备多孔钛，其具体方法是将物化法备的钛粉灌入石 英管中，石英管一端电极固定，另一端电极可加压，管外套铜管散热器。放电 时，应先将室内抽高真空，在充高纯氩气。然后放电烧结，制备多孔钛，制备 工艺过程复杂，对设备要求高，制作成本高。
综上所述，各种多孔钛制备方法普遍存在工艺和成本方面的不足，并且制 备出的多孔钛质脆，不能有效的解决低模量与高强度、高韧性之间的矛盾。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种纤维烧结多孔钛骨钉的 制备方法，该骨钉具有优良的生物相容性，组织结构及力学相容性，无需进行 第二次取出手术，依靠骨长入，骨与多孔结构之间的机械嵌锁作用，使植入体 与骨组织之间形成牢固的生物固定，并且制备工艺简单，成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的，具体包括以下步骤 (1)采用钛或钛合金丝为原料，通过三种缠绕方法中任一种制备成毛坯件， 并冷压成型；
所述钛或钛合金丝，其直径为O. 08-0. 27 mm。
所述的三种缠绕方法是指以下三种
a、 将钛或钛合金丝往复缠绕到细轴上，形成圆柱形毛坯件；所述细轴，其 直径为lmm。
b、 将钛或钛合金丝缠绕成弹簧线圈，线圈直径为丝径的5-20倍，然后将弹 簧线圈均匀拉开与线圈直径相当的螺距，将拉伸后的弹簧线圈缠绕成圆柱形毛 坯件；
4C、将钛或钛合金丝随机、均匀的团绕在一起。
所述冷压成型是将制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，在室温下压制 成骨钉。
(2)将第一步制备好的多孔骨钉置入保护气氛下进行烧结。 所述烧结，烧结参数根据材料材质确定，可以为烧结温度范围950-1300 °C，
烧结时间2-3.5h，可选择高纯氩气作为保护气氛。
本发明利用烧结金属丝方法制备多孔钛骨钉具有很多的优势金属钛或钛
合金具有良好的生物相容性，是一种很好的植入材料；可以通过控制多孔钛骨
钉的孔隙率，孔径大小，孔径分布，孔隙形貌等参数对多孔钛骨钉的力学性能
进行合理的设计和匹配，使之于人体不同部位的骨具有相当的力学性能；多孔 钛骨钉的孔隙为三维贯通孔结构，开孔率〉98%，孔隙率范围为35%-77%。这种孔 隙结构和特征完全满足诱导骨生长的要求，有利于体液在植入体内的传输，可 使成骨细胞粘附、分化和生长，同时，多孔钛允许骨组织长入孔隙内，使骨-植 入体界面面积大大增加，加之骨和多孔结构之间的机械嵌锁作用，使植入体与 骨组织之间形成生物固定，提高植入体-骨界面结合强度。简而言之，纤维烧结 多孔钛骨钉具有良好的生物相容性，大范围可调的力学性能，合理的孔隙结构， 牢固的生物固定，可以用于人体植入领域。
图l为本发明方法的流程图。 图2为本发明制备的骨钉截面示意其中(a)为不带螺纹的骨钉；(b)为带螺纹骨钉。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
如图1所示，将直径为O. 08-0. 27 mm的钛或钛合金丝，通过不同缠绕方法制 备成毛坯件，冷压成型。然后，将制备好的多孔骨钉置入保护气氛(可选择高纯 氩气作为保护气氛)下进行烧结。烧结温度范围950-1300 'C，烧结时间范围2-3. 5 h。烧结后得到三维贯通孔结构，开孔率为〉98%，贯通尺寸，孔隙尺寸和孔结构 可以根据不同要求而灵活匹配的纤维多孔植入骨钉。骨钉外形如图2所示，整个钉身为一体，可根据不同的需要，将多孔骨钉制成无螺纹和带螺纹骨钉，钉身 主体长度d(o9范围40-65鹏，直径范围4. 5-7.0誦。 实施例l
将直径为0.27 mm的钛丝，往复缠绕到直径l mm的细轴上，形成圆柱形毛坯 件，抽出细轴，然后将制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，通过不同的液 压力制备成骨钉。将成型后的骨钉置于高纯氩气保护气氛下进行烧结，烧结温 度范围1300 °C，烧结时间2 h。烧结后得到平均孔隙率为65%， 7 mmX65 ram 的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于120。而不产生断裂，其抗弯强度为122 MPa， 抗扭强度为92 MPa。
本实施例中将钛丝往复缠绕到直径l mm的细轴上，即将细轴径向固定，通 过传动系统使细轴绕轴心线连续360度旋转，利用钛丝与细轴间的摩擦，使钛丝 缠绕到细轴上。
实施例2
将直径为0.27 mm的Ti6A14V合金丝，缠绕成弹簧线圈，线圈直径为丝径的 5-20倍，然后将弹簧线圈均匀拉开与线圈直径相当的螺距，将拉伸后的弹簧线 圈缠绕成圆柱形毛坯件。制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，通过不同的 液压力制备成骨钉。将成型后的骨钉置于高纯氩气保护气氛下进行烧结，烧结 温度范围1300 °C，烧结时间2 h。烧结后得到平均孔隙率77%， 7 mmX65 mm 的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于12(T而不产生断裂，其抗弯强度为109 MPa， 抗扭强度为83 MPa。
实施例3
将直径为O. 15 mm的Ti6A14V合金丝，往复缠绕到直径l mm的细轴上，形成 圆柱形毛坯件，抽出细轴，然后将制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，通 过不同的液压力制备成骨钉。将成型后的骨钉置于高纯氩气保护气氛下进行烧 结，烧结温度范围IIOO °C，烧结时间3.5 h。烧结后得到平均孔隙率43%，
5.5mmX55 mm的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于120。而不产生断裂，其抗弯强 度为150 MPa，抗扭强度为118 MPa。
实施例4
将直径为0.15 mm的钛丝，缠绕成弹簧线圈，线圈直径为丝径的5-20倍，然 后将弹簧线圈均匀拉开与线圈直径相当的螺距，将拉伸后的弹簧线圈缠绕成圆柱形毛坯件。制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，通过不同的液压力制备
成骨钉。将成型后的骨钉置于高纯氩气保护气氛下进行烧结，烧结温度范围iioo
°C，烧结时间3.5 h。烧结后得到平均孔隙率53%， 5.5mmX50腿的多孔钛骨 钉。将骨钉弯曲大于120。而不产生断裂，其抗弯强度为134 MPa，抗扭强度为 105 MPa。 实施例5
将直径为0.08 mm的钛丝，往复缠绕到直径l mm的细轴上，形成圆柱形毛坯 件，抽出细轴，然后将制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中，通过不同的液 压力制备成骨钉。烧结温度范围950 °C，烧结时间2.5 h。烧结后得到平均孔隙 率46%， 4.5mmX40隨的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于120。而不产生断裂， 其抗弯强度为154 MPa，抗扭强度为121 MPa。
实施例6
将直径为0.08 ram的Ti6A14V合金丝，随机、均匀的团绕在一起，然后置入 圆柱形挤压冲模中，通过不同的液压力制备成骨钉。将成型后的骨钉置于高纯 氩气保护气氛下进行烧结，烧结温度950 'C，烧结时间2.5 h。烧结后得到平均 孔隙率35%， 4.5mmX40 mm的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于120。而不产生断 裂，其抗弯强度为165 MPa，抗扭强度为130 MPa。
实施例7
将直径为0.08 ram的钛丝，随机、均匀的团绕在一起，然后置入圆柱形挤压 冲模中，通过不同的液压力制备成骨钉，该骨钉具有螺纹。将成型后的骨钉置 于高纯氩气保护气氛下进行烧结，烧结温度950 'C，烧结时间2.5 h。烧结后得 到平均孔隙率35%， 4.5隱X40 ram的多孔钛骨钉。将骨钉弯曲大于120。而不 产生断裂，其抗弯强度为165 MPa，抗扭强度为130 MPa。
权利要求
1. 一种纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，采用钛或钛合金丝为原料，通过三种缠绕方法中的任一种制备成毛坯件，并冷压成型，在室温下压制成骨钉；所述的三种缠绕方法是指a、将钛或钛合金丝往复缠绕到细轴上，形成圆柱形毛坯件；b、将钛或钛合金丝缠绕成弹簧线圈，线圈直径为丝径的5-20倍，然后将弹簧线圈均匀拉开与线圈直径相当的螺距，将拉伸后的弹簧线圈缠绕成圆柱形毛坯件；c、将钛或钛合金丝随机、均匀的团绕在一起；第二步，将第一步制备好的多孔骨钉置入保护气氛下进行烧结，烧结后获得三维贯通孔结构、开孔率>98％的纤维烧结多孔钛骨钉。
2. 根据权利要求l所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是,所述钛或钛合金丝，其直径为0.08 ■ -0.27 mm。
3. 根据权利要求l所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是，所述冷压成型是将制备好的毛坯件置入圆柱形挤压冲模中。
4. 根据权利要求l所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是，所述细轴，其直径为lmm。
5. 根据权利要求l所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是,所述烧结，其温度范围95(TC-1300 。C。
6. 根据权利要求1或5所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是，所述烧结，其时间2 h -3.5 h。
7. 根据权利要求1或5所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是，所述烧结，选择高纯氩气作为保护气氛。
8. 根据权利要求l所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是,所述多孔钛骨钉，其钉身主体长度为40-65腿，直径范围4. 5-7.0 mm。
9. 根据权利要求1或8所述的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，其特征是，所述多孔钛骨钉，其孔隙率范围为35%-77%。
全文摘要
本发明涉及一种医疗器械技术领域的纤维烧结多孔钛骨钉的制备方法，步骤为采用钛或钛合金丝为原料，采用缠绕或者团绕的方法制备成毛坯件，并冷压成型将制备好的多孔骨钉置入保护气氛下进行烧结，烧结后获得三维贯通孔结构、开孔率＞98％的纤维烧结多孔钛骨钉。该骨钉具有优良的生物相容性，无需进行第二次取出手术，并且该骨钉具有很高的强韧性，弹性模量适中，生物力学性能良好，依靠骨与多孔结构之间的机械嵌锁作用，使植入体与骨组织之间形成牢固、永久的生物固定。
文档编号A61B17/84GK101474093SQ20091004507
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者国 何, 萍 刘, 吴鲁海, 杜春雷, 谭庆彪 申请人:上海交通大学