钛合金粉末及其配制方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于脊柱内固定类骨科植入物技术领域，具体涉及一种可用于骨修复的钛合金粉末及其配制方法和应用。
【背景技术】
[0002]人体骨骼是具有一定硬度和弹性的组织，支持人体直立行走和保护体内重要脏器。在外力或疾病作用下骨骼可以发生骨折或磨损，而需要应用植入物进行必要的修复，或直接替代骨骼的功能。目前，我国城乡交通事故发生率的不断增大引起的创伤明显增多，同时我国人口老龄化以及人们对生存质量的重视等因素将会使我国对骨科植入物的需求量迅速增长。临床上应用的骨科植入物材料主要包括不锈钢、钴铬合金和钛合金等。钛及钛合金材料由于其低弹性模量、高比强度、优异的生物相容性和耐腐蚀性等特点，被广泛应用于人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、固定板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统等骨科领域。
[0003]脊柱矫形内固定产品最终将应用于具有复杂形态结构的人体脊柱系统，且需达到不同的治疗目的。因此，该类产品大多是具有非常复杂三维结构外形(如外部切槽，横孔，齿形凸台等)和优良生物学性能(包括生物相容性和生物力学性能)的异形件。目前，用于脊柱矫形内固定产品制造的钛合金种类主要是T1-6A1-4V，而V (钒)等为细胞毒性元素，长期埋入人体内，有可能溶解成自由的单体进入体液，从而造成对生物体的毒害；同时钛合金骨科植入物产品大多数采用:(I)传统的真空自耗熔炼一锻造一机加工方式生产，此方法工艺流程长、设备多、成材率低，后续加工繁琐，导致制备成本很高，难以自动化批量生产；
(2)铸造方式生产，该生产工艺可获得形状复杂的净形或近净形产品，但铸造过程中材料的成分偏析、疏松、缩孔等缺陷难以避免，材料性能较低。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种低细胞毒性、低制备成本的钛合金粉末及其配制方法和应用，该应用可实现一次成形复杂三维结构和大批量生产原材料利用率高、成本低廉、力学性能优异的骨科植入物异形件。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案:
一种钛合金粉末，所述钛合金粉末包括以下质量分数的组分:
铝粉(Al) 2%?7%，
钼粉(Mo) 2%?8%，
铁粉(Fe) 2%?6%，
其余为钛粉(Ti)。
[0006]上述的钛合金粉末中，优选的，所述钛粉的粒度控制在-100目?-500目，所述铝粉、钼粉、铁粉的粒度均控制在-100目?-400目。
[0007]一种上述的钛合金粉末的配制方法，所述方法包括按照所述质量分数称取铝粉、钼粉、铁粉和钛粉，经混合后，得到钛合金粉末。
[0008]一种上述的钛合金粉末或者上述配制方法制得的钛合金粉末在脊柱内固定类骨科植入物异形件制备领域的应用。
[0009]上述的应用中，所述应用包括以下步骤:
(O喂料制备:将所述钛合金粉末与粘结剂混合，所得混合物中粘结剂的体积分数占40%?60%，将混合物进行加热混炼，混炼温度为110°C?138°C，然后冷却、制粒，得到喂料；
(2)注射成形:将喂料注射于模具中，注射温度为150°C?178°C，注射压力为8MPa?13.5MPa，注射速率为系统注射速率(即系统的最大注射速率)的40%?90%，模具温度控制在30°C?45°C，模具压力控制在5MPa?9.5MPa，经保压和冷却后，得到生坯；
(3)脱脂:将生坯先进行溶剂脱脂，然后进行热脱脂，得到脱脂坯；
(4)烧结:将脱脂坯置于烧结炉中，先在真空条件下加热升温至852°C?1080°C，然后在氩气气氛下升温至1200°C?1550°C进行烧结，烧结时间为2h?4.5h，自然冷却至室温，得到脊柱内固定类骨科植入物异形件。
[0010]上述的应用中，优选的，还包括步骤(5)仿生沉积羟基磷灰石涂层:将所述脊柱内固定类骨科植入物异形件置于浓度为4mol/L?6mol/L的NaOH溶液中，于60 V?80°C下水浴24h?48h，经清洗、干燥后，放入热处理炉中，以5°C /min?10°C /min的升温速率加热升温至700°C?900°C，保温Ih?3h后，自然冷却；将碱热处理后的脊柱内固定类骨科植入物异形件浸入模拟体液中，先在4°C环境下保存24h?32h，然后转移至36.5°C?37°C水浴7天?14天，得到带羟基磷灰石涂层的脊柱内固定类骨科植入物异形件。
[0011]上述的应用中，优选的，所述粘结剂为由聚丙烯、植物油、增塑剂、石蜡组成的混合物或者由聚丙烯、植物油、增塑剂、石蜡、微晶蜡组成的混合物；所述粘结剂中，聚丙烯、植物油、增塑剂、石蜡、微晶蜡的质量比为30?40: 10?30: 5?10: 30?40: O?20。
[0012]上述的应用中，优选的，所述步骤(2)中，所述注射温度为162°C?178°C，所述注射压力为10.5MPa?13.5MPa，所述注射速率为系统注射速率的35%?75%，所述模具压力控制在 8.5MPa ?9.5MPa。
[0013]上述的应用中，优选的，所述步骤(4)中，先在真空条件下加热升温至900°C?105CTC，然后在氩气气氛下升温至1380°C?1550°C进行烧结。
[0014]上述的应用中，优选的，所述步骤(I)中，所述混炼的时间为Ih?5h ;所述步骤
(2)中，所述保压的时间为0.5s?10s，所述冷却的时间为15s以上；所述步骤(3)中，所述溶剂脱脂采用的溶剂为二氯甲烷，所述溶剂脱脂的温度为25°C?30°C ;所述热脱脂的温度为600°C?900°C，所述热脱脂的气氛为真空或氩气气氛；所述步骤(4)中，所述脱脂坯在真空条件下加热升温的速率为1°C /min?5°C /min,在氩气气氛下升温的速率为10°C /min?15°C /min。
[0015]本发明中，模拟体液优选按照每100ml模拟体液中含NaCl 7.996g，NaHCO30.350g，KCl 0.224g，K2HPO4.3H20 0.228g，MgCl2.6H20 0.305g，CaCl2 0.278g，Na2SO4
0.071g，(CH2OH) 3CNH2 6.057g进行配制，溶剂为双蒸水，用lmol/L的HCI溶液调节模拟体液PH值为7.40，配制完成后，将模拟体液放置4°C冰箱保存备用，但本发明可采用的模拟体液不限于此。
[0016]与现有技术相比，本发明的优点在于:
(I)本发明的钛合金粉末中去除了具有细胞毒性的V元素，添加了无细胞毒性的Fe、Mo等合金元素。
[0017](2)本发明将钛合金粉末应用于制备脊柱内固定类骨科植入物异形件，应用方法采用金属粉末注射成形方法，一次成形制备三维外形结构复杂的钛合金脊柱内固定类骨科植入物异形件。在该应用中，原材料钛合金粉末的选择异常关键，材料本身需具备良好烧结性能和成本控制(Fe、Mo合金元素较高熔点的无细胞毒性金属元素其烧结成本更低)，同时产品的力学性能较TC4优良。本发明采用的超细合金粉末，可充分保证产品的致密度和表面光洁度。
[0018](3)本发明为实现一次成形制备复杂形状异形件产品的要求，通过设计新的粘结剂配方保证喂料的良好流动性充填模腔并能有效脱除，保证产品的高精度，尺寸精度达到土(0.3% ?0.5%)。
[0019](4)本发明的应用中金属粉末注射成形工艺参数的控制和优化对实现钛合金异形件产品的优异力学性能至关重要，本发明中通过优化控制注射参数、脱脂参数和烧结速率及温度，保证钛合金骨科植入物异形件产品的高致密度和优异的性能。
[0020](5)本发明通过金属注射成形技术一次成形制备复杂三维结构的脊柱内固定类骨科植入物钛合金异形件，产品具备良好的生物相容性和力学性能，可以实现模具大批量生产，自动化程度高；由于产品是一次成形，不需要进行机加工，减少了材料消耗，原材料利用率高，生产成本大大降低，且扩大了金属注射成形工艺在脊柱内固定类骨科植入物产品领域的应用范围。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例中模具的结构示意图。
[0022]图2为本发明实施例中模具的外观示意图。
[0023]图3为本发明实施例中脊柱内固定类骨科植入物异形件的立体结构示意图。
[0024]图例说明:
1、灌注口 ；2、型腔。<