專利名稱：一種生物醫用多孔植入材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及多孔醫用金屬植入材料成型制備領域，特別是涉及一種替代承重部位骨組織的醫用植入多孔金屬材料。
背景技術：
多孔醫用金屬植入材料用于替代人體相關組織，有很好的治療前景，如具有治療骨組織創傷和股骨組織壞死等重要而特殊的用途，現常見的這類材料有金屬不銹鋼、多孔金屬鈦、多孔鉭等。作為骨組織創傷和股骨組織壞死治療使用的多孔植入材料，其孔隙度應達30 80%，而且孔隙最好全部連通與均勻分布，或根據需要孔隙部分連通與均勻分布，使之既與人體的骨組織生長相一致，又減輕了材料本身的重量，以適合人體植入使用。難熔金屬鉭，由于它具有優秀的生物相容性，其多孔材料有望作為替代前述等傳 統醫用金屬生物材料。由于金屬鉭對人體的無害、無毒、無副作用，以及隨著國內外醫學的飛速發展，對鉭作為人體植入材料認知的進一步深入，人們對人體植入用多孔金屬鉭材料的需求變得越來越迫切，其中作為多孔醫用植入金屬鉭，如果能具有很高的均勻分布連通孔隙以及與人體相適應的物理機械性能，則其有望作為一種新型的骨組織替代材料。目前多孔鉭生物材料的制備方法主要有粉末松裝燒結法、泡沫浸潰燒結法，漿料發泡法等等，這些方法制備出的多孔鉭雖然孔隙度能夠滿足要求，但是孔隙形貌不好，多少為閉合的微小孔隙、孔隙分布不均勻。然而生物材料最大特點是形狀復雜，對微小的細節要求高，特別是材料的孔隙要完全三維連通且分布均勻。因此，對成型技術提出了很高的要求，而傳統的成型技術由于受到制備工藝的限制而無法滿足需要。

發明內容
本發明的目的在于提供一種操作簡單、成本低、適于工業化生產的多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，該方法制得的多孔鉭生物醫用植入材料孔隙完全三維連通、且孔隙分布均勻，生物相容性好。本發明目的通過如下技術方案實現—種多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，其特征在于將純鉭粉與粘結劑混合均勻得到鉭粉漿料；將孔隙率為20% 50%、完全三維連通的高分子樹脂模板支架放入鋼模中，將所述配制好的鉭粉漿料灌入鋼模中并漫過其中的高分子樹脂模板支架，然后緩慢均勻地對鋼模四周加壓使鉭粉充分完全地填充到高分子樹脂模板支架中，所施加的壓力從OMPa勻速增加到8 12Mpa、加壓過程所用時間為2 5h，再通過化學溶解脫除高分子樹脂模板支架、得到多孔鉭的坯體骨架，最后通過脫脂、燒結等后處理得到生物醫用多孔鉭植入材料。通過上述的加壓使得金屬鉭粉完全、均勻地填充到了三維高分子樹脂支架之中，化學方法脫除三維支架后，得到的是完全三維連通的多孔金屬材料的坯體，燒結后得到完全三維連通的多孔金屬植入材料，使該多孔金屬植入材料生物相容性好。上述孔隙率為20% 50%、完全三維連通的高分子樹脂模板支架可通過發泡法、三維打印法等本領域常規方法制得，所有的20% 50%、完全三維連通的高分子樹脂模板支架均適用于本發明，根據高分子樹脂模板支架的成分采用化學溶解脫除對本領域技術人員來說是常識；上述脫月旨、燒結等后處理可按常規后處理進行?？赏ㄟ^上述方法，調控相應工藝參數可制備替代人體承重部位骨組織如股骨、面股等多孔鉭植入材料、也可制備替代人體非承重骨組織的多孔鉭植入材料，或替代人體堅硬骨組織如牙骨等多孔鉭植入材料。為了使制得的多孔鉭植入材料孔隙率在50 80%、以制得替代人體承重骨組織的多孔鉭植入材料，本發明純鉭粉的粉末粒度< 15 Pm，本發明粘結劑為3 6%的聚乙烯醇水溶液，還可以為2 4%的甲基纖維素水溶液或3 7%的乙基纖維素酒精溶液等，均以質量百分濃度計，進一步優選地，上述純鉭粉與粘結劑按質量比3 10 I均勻混合制得鉭粉楽■料。在制備替代人體承重組織的多孔鉭植入材料過程中，為了使制得的多孔鉭植入材 料力學性能更接近人體承重骨組織的力學特性，優選地，上述后處理按如下步驟進行第一階段為脫除所加入的粘結劑，以I 5°C /min的速率從室溫升至400°C，保溫30 60min，以0. 5 I. 5°C /min的速率從400°C升至600 800°C，保溫60 120min，真空度保持在10_3Pa左右；第二個階段為高溫真空燒結階段，以10 15°C /min的速率升至1200 12500C，保溫30 60min,真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10 20°C /min的速率升至1500°C，保溫30 60min，真空度為KT4Pa l(T3Pa，以6 20°C /min的速率升至2000 2200°C，保溫120 240min，真空度為KT4Pa KT3Pa ;第三個階段為緩慢冷卻熱處理階段，真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10 20°C /min的速率冷卻至1500 1600°C，保溫30 60min ；以12 20°C /min的速率冷卻至1200 1250°C，保溫60 90min ;以10 20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻。具體地說，一種多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，按如下步驟進行a.把純鉭粉(粉末粒度為8 13 i! m)與質量百分濃度為3 6 %的聚乙烯醇水溶液按質量比3 10 I混合，充分攪拌均勻，調制出鉭粉漿料；b.將孔隙率為20% 50%、完全三維連通的高分子模板支架放入鋼模中，然后把上述調制好的鉭粉漿料灌入鋼模中并漫過其中的高分子模板支架，最后把緩慢均勻地對鋼模四周施加壓力使得鉭粉充分完全地填充到高分子模板之中，所施加的壓力從OMPa勻速增加到lOMpa、加壓過程所用時間為2 5h，使得鉭粉顆粒與顆粒之間的相互緊密地結合在一起，鉭粉漿料中的水分在壓制過程中滲到鋼模外；c.放在空氣中自然風干鋼模中剩余的水分，然后從鋼模中小心脫除高分子樹脂模板，去除高分子樹脂模板周圍多余的鉭粉使得高分子模板露出來；最后，通過化學溶解脫除其中的高分子樹脂模板，得到多孔鉭的坯體骨架；d.將上述的坯體按如下步驟進行后處理第一階段為脫除所加入的粘結劑，以I 5°C /min的速率從室溫升至400°C，保溫30 60min，以0. 5 I. 5°C /min的速率從400°C升至600 800°C，保溫60 120min，真空度保持在10_3Pa左右；第二個階段為高溫真空燒結階段，以10 15°C /min的速率升至1200 1250°C，保溫30 60min，真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10 20°C /min的速率升至1500°C，保溫30 60min，真空度為KT4Pa 10 ,以6 20 0C /min的速率升至2000 2200。。，保溫120 240min，真空度為10_4Pa KT3Pa ;第三個階段為緩慢冷卻熱處理階段，真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10 200C /min的速率冷卻至1500 1600°C，保溫30 60min ;以12 20°C /min的速率冷卻至1200 1250°C，保溫60 90min ;以10 20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻。在醫用多孔金屬材料的研發過程中，醫用多孔金屬材料作為替代人體承重組織的材料，要求其孔隙率較大、這樣人體組織才易長入、生物相容性好從而充分地發揮其作用，但孔隙率越大、孔徑越大，力學性能如強度、韌性就得不到保證；反之，力學性能好了又易使材料密度過大引起不舒適感；醫用多孔鉭的制備路線眾多，但發明人創造性地提出了采用上述步驟、工藝制備醫用多孔鉭植入材料，有效防止了采用浸漿法易出現的堵孔、浸漿過程難控制、制得的產品質量不均勻等問題；上述燒結處理工藝，使得胚體成為了發熱體，從而燒結得更均勻、透徹、強度更高。本發明方法制得的多孔鉭材料經過測試其生物相容性與生物安全性好，密度在5. 01 7. 50g/cm3，孔隙的分散度高、孔隙度在50 80%，孔隙的分布均勻，孔徑約為300 u m ;彈性模量可達2. I 4. 7Gpa、彎曲強度可達75 llOMpa、抗壓強 度可達60 70Mpa ;總的來說，其生物相容性、強韌性均優異，接近人體承重骨組織，所得的多孔鉭非常適合用于替代承重骨組織的醫用植入材料。本發明方法除了用于制備多孔鉭金屬材料之外，還可以用來制備多孔鈮、鈦、不銹鋼及鈷鉻合金等多種金屬材料。本發明方法采用模壓的方法實現等靜壓壓制的效果，使得壓制壓力在高分子樹脂模板支架中均勻充分的傳導，金屬粉末均勻致密地填充滿整個高分子樹脂模板支架。制備出的多孔金屬材料燒結變形小，顆粒與顆粒之間的燒結頸的量大于70%。本發明方法得到的燒結頸是指在高溫下，粉末受熱，顆粒之間發生粘結，就是我們常說的燒結現象，燒結是指顆粒在高溫下粉末顆粒間發生冶金性質結合的過程，通常在主要成分組元的熔點下進行，并通過原子遷移實現，通過微觀結構觀察，可以發現顆粒接觸的燒結頸(或稱接觸頸)長大，并因此導致性能變化。隨著燒結溫度的增加，對燒結溫度與燒結時間的合理控制，燒結頸才會逐漸增大，燒結頸的比例增多，燒結體的強度增加，通過此燒結工藝，使得燒結后金屬材料中，燒結頸的量大于70%，燒結體的力學性能較強。再者，本發明制備方法工藝簡單、易控；整個制備過程無害、無污染、無毒害粉塵，對人體無副作用，而且在制備過程中優先采用在燒結過程中能夠全部分解，沒有殘留的粘結劑、支架等，進一步有利于保證植入材料的生物相容性和生物安全性。


圖I是本發明所述制備方法制得多孔鉭的微觀結構的立式顯微鏡分析圖；從附圖可觀察到本發明制得的多孔鉭孔隙完全三維連通，且分布均勻。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體的描述，有必要在此指出的是以下實施例只用于對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域的技術人員可以根據上述本發明內容對本發明作出一些非本質的改進和調整。實施例I
一種多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，按如下步驟進行將粒徑為8 ii m的純鉭粉末300g與質量濃度為3 %的聚乙烯醇水溶液40ml混合，充分攪拌配置成膠狀物。常規三維打印的方法制備出孔隙率為30%左右、完全三維連通的4cmX5cmX4cm高分子樹脂模板支架,把該高分子樹脂模板支架放進棱長為6cm的鋼模中。然后，將配制的膠狀物灌進鋼模中，并且使得懸濁液沒過高分子樹脂模板支架，把鋼模放在加壓的裝置上，使得鋼模四周緩慢、均勻的加壓，壓力在3h之內有OMPa上升到8MPa，這樣使粉末充分、緊密地灌進高分子樹脂模板支架中，并且膠狀物中的水分在加壓過程中滲透出來，然后放在空氣中自然風干8-10h，小心脫去鋼模，去掉高分子樹脂模板支架周圍多余的鉭粉。把充滿鉭粉的高分子樹模板支架放進事先準備的化學溶液中，采用溶解的方法是高分子支架溶解，得到多孔鉭的坯體支架。最后對多孔鉭的坯體進行后處理以:TC /min的速率從室溫升至400°C，保溫50min，以I. 5°C /min的速率從400°C升至800°C，保溫lOOmin，真空度維持在lX10_3Pa ;以10 15°C /min的速率升至1200°C，保溫l.Oh，真空度為
IX KT4Pa,以IO0C /min的速率升至1500°C，保溫I. Oh,真空度為I X KT4Pa I X 10 ,以60C /min的速率升至2100°C，保溫3h，真空度為I X 10_3Pa燒結完畢，真空度為I X 10_4Pa IX KT3Pa ;以15。。/min的速率冷卻至1250°C，保溫Ih,以13。。/min的速率冷卻至800°C,保溫 I. 5h，然后隨爐冷卻；發明人按 GB/T5163-2006、GB/T5249-1985、GB/T6886-2001 等標準對上述多孔鉭成品的多孔材料密度、孔隙率及各種力學性能進行檢測，經測試制得的多孔鉭植入材料，其密度為5. 01g/cm3,孔隙度約為70%，孔隙分布均勻，孔徑在300 y m左右，抗壓強度62. 5MPa，彎曲強度75. 3MPa，彈性模量2. lGpa，燒結頸的量為80%左右；且其為三維完全連通、孔隙均勻分布，生物相容性好，該方法制得的多孔鉭植入材料非常適于替代人體股骨組織。在上述實施例I給出的方法中，我們還可以對其中的部分條件作其他選擇，其余同實施例1，同樣能得到本發明所述的多孔鉭。
實施例純鉭粉粒度粘結劑純鉭粉與粘結劑加壓時間壓力勻速變化
的質量份比起始值
27 y m6wt%聚乙烯4:12. 5小時從OMpa勻速增
醇水溶液加到9Mpa
35um4wt%甲基纖6: I3小時從OMpa勻速增
維素水溶液加到8Mpa49 U m3wt%乙基纖7:14. 5小時從OMpa勻速增
維素酒精溶加到IOMpa
液
5IOy m2wt%甲基纖3: I5小時從OMpa勻速增
維素水溶液加到12Mpa
615 Um7wt%乙基纖10: I2小時從OMpa勻速增
維素酒精溶加到IlMpa
液
712 Um3wt%聚乙烯8. 5: I3. 5小時從OMpa勻速增
醇水溶液加到10. 5Mpa
實施脫脂溫度(°C) /時間燒結氣氛(Pa) /溫度(0C)財間(min)
例 (min)
2以5°C/min的速率從室溫IOtVmin的速率從室溫升至1250°C，保溫60min， 升至400。。，保溫60min；真空度為IO4Pa5
1.0°C/min的速率從400以20°C/min的速率升至1500°C，保溫30min，真空°C升至600°C，保溫度為IO4Pa;
IOOmin,在ICT3Pa下以8°C/min的速率升至2000°C,保溫240min，真空
度為 IO-3Pa5
真空度為IO4Pa KT3Pa;以lltVmin的速率冷卻至1600°C,保溫 60min;
以20°C/min的速率冷卻至1200V，保溫90min；
以IOtVmin的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻
3l.OtVmin的速率從室溫BtVmin的速率從室溫升至1210。。，保溫58min， 升至400。。，保溫35min/真空度為KT3Pa;
0.5°C/min的速率從400以15tVmin的速率升至1500。。，保溫60min，真空°C升至700°C，保溫度為KT3Pa;
120min,在 IO-3Pa 下以 20°C/min 的速率升至 2200°C，保溫 120min，真
空度為IO4Pa權利要求
1.一種多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，其特征在于將純鉭粉與粘結劑混合均勻得到鉭粉漿料；將孔隙率為20% 50%、完全三維連通的高分子樹脂模板支架放入鋼模中，將所述配制好的鉭粉漿料灌入鋼模中并漫過其中的高分子樹脂模板支架，然后緩慢均勻地對鋼模四周加壓使鉭粉充分完全地填充到高分子樹脂模板支架中，所施加的壓力從OMPa勻速增加到8 12Mpa、加壓過程所用時間為2 5h，再通過化學溶解脫除高分子樹脂模板支架、得到多孔鉭的坯體骨架，最后通過脫脂、燒結等后處理得到生物醫用多孔鉭植入材料。
2.如權利要求I所述的制備方法，其特征在于所述純鉭粉的粉末粒度<15 ym，所述粘結劑為3 6%的聚乙烯醇水溶液、2 4%的甲基纖維素水溶液或3 7%的乙基纖維素酒精溶液中的一種，以質量百分濃度計。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于所述純鉭粉與粘結劑是按質量比約以3 10 :1均勻混合制得鉭粉漿料。
4.如權利要求1、2、3或4所述的制備方法，其特征在于所述后處理按如下步驟進行第一階段為脫除所加入的粘結劑，以1 5°C /min的速率從室溫升至400°C，保溫3(T60min，以0. 5 I. 50C /min的速率從400°C升至600 800°C，保溫6(Tl20min，真空度保持在KT3Pa左右；第二個階段為高溫真空燒結階段，以10 15°C /min的速率升至120(Tl25(rC，保溫3(T60min，真空度為 KT4Pa KT3Pa ;以 1(T20°C /min 的速率升至 1500°C，保溫 3(T60min，真空度為IO4Pa l(T3Pa，以6 20°C /min的速率升至200(T220(TC，保溫120 240min，真空度為KT4Pa KT3Pa ;第三個階段為緩慢冷卻熱處理階段，真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10 200C /min的速率冷卻至150(Tl60(TC，保溫3(T60min ;以12 20。。/min的速率冷卻至120(Tl250°C，保溫6(T90min ;以1(T20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻。
5.如權利要求I所述的制備方法，按如下步驟進行 a.把純鉭粉與質量百分濃度為3 6%的聚乙烯醇水溶液按質量比3 10:1混合，充分攪拌均勻，調制出鉭粉漿料； b.將高分子模板支架放入鋼模中，然后把上述調制好的鉭粉漿料灌入鋼模中并漫過其中的高分子模板支架，最后把緩慢均勻地對鋼模四周施加壓力使得鉭粉充分完全地填充到高分子模板之中，所施加的壓力從OMPa勻速增加到lOMpa、加壓過程所用時間為2 5h，使得鉭粉顆粒與顆粒之間的相互緊密地結合在一起，鉭粉漿料中的水分在壓制過程中滲到鋼模外； c.放在空氣中自然風干鋼模中剩余的水分，然后從鋼模中小心脫除高分子樹脂模板，去除高分子樹脂模板周圍多余的鉭粉使得高分子模板露出來；最后，通過化學溶解脫除其中的高分子樹脂模板，得到多孔鉭的坯體骨架； d.將上述的坯體按如下步驟進行后處理第一階段為脫除所加入的粘結劑，以I 5。。/min的速率從室溫升至400。。，保溫3(T60min，以0. 5 I. 5 °C /min的速率從400 °C升至600 80(TC，保溫6(Tl20min，真空度保持在10_3Pa左右；第二個階段為高溫真空燒結階段，以10 15°C /min的速率升至120(Tl250°C，保溫3(T60min，真空度為KT4Pa KT3Pa ;以10^200C /min的速率升至1500。。，保溫3(T60min，真空度為KT4Pa 10 ,以6 20°C /min的速率升至2000 22001，保溫12(T240min，真空度為KT4Pa KT3Pa ;第三個階段為緩慢冷卻熱處理階段，真空度為10_4Pa 10_3Pa ;以10 20°C /min的速率冷卻至150(ri600°C，保溫 30 60min ;以 12 20°C /min 的速率冷卻至 120(Tl250°C，保溫 60 90min ； 以1(T20°C /min的速率冷卻至800°C，然后隨爐冷卻。
全文摘要
一種多孔鉭生物醫用植入材料的制備方法，將純鉭粉與粘結劑混合均勻得到鉭粉漿料；將孔隙率為20%～50%、完全三維連通的高分子樹脂模板支架放入鋼模中，將所述配制好的鉭粉漿料灌入鋼模中并漫過其中的高分子樹脂模板支架，然后緩慢均勻地對鋼模四周加壓使鉭粉充分完全地填充到高分子樹脂模板支架中，所施加的壓力從0MPa勻速增加到10Mpa、加壓過程所用時間為2～5h，再通過化學溶解脫除高分子樹脂模板支架、得到多孔鉭的坯體骨架，最后通過脫脂、燒結等后處理得到生物醫用多孔鉭植入材料。通過上述方法得到的是完全三維連通的多孔金屬材料的坯體，燒結后得到完全三維連通的多孔金屬植入材料，使該多孔金屬植入材料生物相容性好。
文檔編號A61L27/04GK102796907SQ201210021808
公開日2012年11月28日 申請日期2012年1月31日 優先權日2012年1月31日
發明者葉雷 申請人:重慶潤澤醫藥有限公司