本发明涉及一种多孔医用金属植入材料的制备 方法， 特别是涉及一种替代承重部位骨 组织的医用多孔金属植入材料的制备方法。

背景技术

多孔医用金属植入材料具有治疗骨组织创伤、 股骨组织坏死等重要而特殊的用途， 现 常见的这类材料有多孔金属不锈钢、 多孔金属钛等。 作为骨组织创伤和股骨组织坏死治疗 使用的多孔植入材料， 其孔隙度应达 30〜80%， 而且孔隙最好全部连通与均匀分布， 或根 据需要使之既与人体的骨组织生长相一致， 又减轻了材料本身的重量， 以适合人体植入使 用。

而难熔金属钽 /铌， 由于它具有优秀的生物相容性， 其多孔材料有望作为替代前述等 传统医用金属生物材料。 由于金属钽 /铌对人体的无害、 无毒、 无副作用， 以及随着国内 外医学的飞速发展， 对钽 /铌作为人体植入材料认知的进一步深入， 人们对人体植入用多 孔金属钽 /铌材料的需求变得越来越迫切， 对其要求也越来越高。 其中作为多孔医用植入 金属钽 /铌， 如果能具有很高的均匀分布连通孔隙以及与人 体相适应的物理机械性能， 则 其有望作为一种新型的骨组织替代材料。

作为医用植入的多孔金属材料就像一般的多孔 金属材料那样基本上是以粉末烧结法 为主要的加工方法， 特别是为获取孔隙连通与均匀分布的多孔金属 泡沫结构采用粉末烧结 法中的金属粉末浆料在有机泡沫体上的浸渍后 干燥再烧结简称泡沫浸渍法居多。 关于粉末 烧结所获得的多孔金属材料通常其金属力学性 能并不是很好， 其主要原因是工艺上如何安 排成孔介质的支撑与消除关系、 金属粉末烧结过程中的塌陷问题。 而已知的文献报道中均 没有很好的解决方法而放任自然。

采用金属粉末烧结法制造多孔钽 /铌的文献报道很少， 特别是以获得医用植入材料用 为目的的多孔钽 /铌粉末烧结法文献报道几乎没有。 可以参考的是公开号为 CN200510032174, 名称 "三维通孔或部分孔洞彼此相连多孔金属泡沫� �其制备方法" 以及 CN200710152394, 名称 "一种新型多孔泡沫钨及其制备方法" 。 然而其所获得的多孔金属 或是为过滤材料用， 或是为航空航天及其它高温场合用而非作为医 用金属植入材料使用， 再者所加工的多孔金属也非多孔钽 /铌。

关于多孔钽， US5282861 公开了一种应用于松质骨植入体、 细胞和组织感受器的开孔 钽材料及其制备。 这种多孔钽由纯商业钽制成， 它以聚亚氨酯前体进行热降解得到的碳骨 架为支架， 该碳骨架呈多重的十二面体， 其内为网格样结构， 整体遍布微孔， 孔隙率可高 达 98%， 再将商业纯钽通过化学蒸气沉积、 渗透的方法结合到碳骨架上以形成多孔金属微 结构， 简称为化学沉积法。 这种方法所获得的多孔钽材料其表面的钽层厚 度在 40〜60 m 之间； 在整个多孔材料中， 钽重约占 99%， 而碳骨架重量则占 1%左右。 文献进一步记载， 该多孔材料的抗压强度 50〜70MPa， 弹性模量 2. 5〜3. 5GPa, 抗拉强度 63MPa。 但是将它作 为替代承重骨组织如颅骨等医用植入材料的多 孔钽， 其材料的力学性能如延展性有明显不 足之处， 会影响到后续的对多孔钽材料本身的加工， 例如成型件的切割等。 同样在前述的 金属粉末烧结法所获得的产品也均存在这样的 不足。 再由于其制备方法的局限， 获得的成 品纯度不够， 有碳骨架残留物， 导致生物安全性降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强韧性优异、 适用于替代承重部位骨组织的医用多孔金属 植入材料的制备方法。

本发明的目的是通过如下技术手段实现的：

一种替代承重骨组织的医用多孔金属材料的制 备方法，其特征在于： 由钽粉与造孔剂、 成型剂混合， 再经压制成型、 脱脂、 烧结、 冷却和热处理制得该多孔金属材料； 所述压制 成型是将混合粉末压制到有机泡沫体中， 其压力为 50〜100Mpa， 所述脱脂过程是以 0. 3°C/min〜2°C/min 的速率逐步升温至 400〜800°C， 以氩气通入构成保护气氛并保温 300mir！〜 360min _; 所述造孔剂为碳酸氢铵或双氧水， 所述成型剂为硬脂酸、 硬脂酸锌、 石 蜡、 合成树脂 （优选为丁苯橡胶或异戊橡胶） 中的一种或多种； 所述烧结步骤是真空度 为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa， 以 10〜20°C/min升温至 1500〜1800°C、 保温 120〜240min、 随炉冷至 200〜300°C，再以 10〜20°C/min升温至 1500〜1800°C、保温 180〜240min，以 5〜10°C/min 升温至 2000〜2200°C、 保温 120〜360min; 所述热处理步骤是真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa， 以 10〜20°C/min升温至 800〜900°C、 保温 240〜480min， 再以 2〜5°C/min冷至 400°C、 保 温 120〜300min， 然后随炉冷却至室温。

在医用多孔金属材料的研发过程中， 医用多孔金属材料作为替代承重骨组织的材料 ， 要求其孔隙率较大、 这样人体组织才易长入、 生物相容性好从而充分地发挥其作用， 但孔 隙率越大、 孔径越大， 力学性能如强度、 韧性就得不到保证； 反之， 力学性能好了又易使 孔隙率过小、 生物相容性不好、 密度也过大引起不舒适感； 医用多孔钽的制备路线众多， 但发明人创造性地提出了采用上述步骤、 工艺制备医用多孔钽植入材料， 有效防止了采用 浸浆法易出现的堵孔、 浸浆过程难控制、 制得的产品质量不均匀等问题； 特别是采用的上 述热处理工艺， 发明人在长期研究过程中发现该热处理工艺充 分地消除了内应力、 使多孔 钽材料的组织更均匀、 大大提高了所制得的多孔钽材料的韧性； 上述烧结处理工艺， 使得 胚体成为了发热体， 从而烧结得更均匀、 透彻； 其制得的多孔钽材料经过测试其杂质含量 可低于 0. 2%、其生物相容性与生物安全性好，密度可达 5. 83〜7. 50g/cm ³ ,孔隙度可达 55〜 65%, 孔隙直径可达 300〜500 μ m; 弹性模量可达 4. 5〜6. 0Gpa、 延伸率达 10. 5〜11. 7%、 弯曲强度可达 125〜150Mpa、 抗压强度可达 72〜90Mpa， 其生物相容性、 强韧性均优异， 接近人体承重骨组织， 本发明多孔钽非常适合用于替代承重骨组织的 医用植入材料。

本发明采用的原料钽粉的平均粒径小于 43微米、 氧含量小于 0. 1%， 为市售产品； 上 述造孔剂、 成型剂也均为市售产品。 本发明真空环境优选采用真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa 的 真空条件。上述有机泡沫体优选聚氨酯泡沫， 进一步优选为孔径 0. 48〜0. 89mm,密度 0. 015 g/cm ³ 〜0. 035g/cm ³ , 硬度大于 50° (最优选孔径为 0. 56〜0. 72mm, 密度 0. 025g/cm ³ , 硬度 50°〜80°) 的聚氨酯泡沫中。

在研发过程中发明人进一步研究发现， 若上述制备中控制不好， 虽可制得如上所述适 合用于替代承重骨组织的医用植入材料但产品 质量稳定性不理想、 合格率不高： 如粉末压 制成型难、 在压制后部分易出现分层、 不均匀， 脱脂后部分会出现裂纹等技术问题。

为了使粉末压制过程中成型更容易， 从而提高成品率、 成品孔隙均匀性、 使制备过程 更稳定， 上述造孔剂的用量为 15〜25%、 成型剂的用量为 7〜12%、 余量为钽粉， 均以体积 百分含量计 （以体积百分含量计是通过最终多孔钽材料的 情况直接推算的单位， 在上述造 孔剂、 成型剂的称量中固体粉末还是根据相应物质的 密度计算出其对应的质量称量的、 当 然若为液体物质则直接采用体积称量）， 进一步优选为造孔剂为双氧水占 18%、成型剂为硬 脂酸锌占 11%、 余量为钽粉、 以体积百分含量计； 上述压制成型过程中的压力优选为 75〜 87Mpa。

为了使脱脂过程中胚体更稳定、 减少易出现的部分胚体变形、 孔径不均匀， 从而进一 步提高成品率、 质量稳定性， 上述脱脂过程是以 0. 3°C/mir！〜 rC/min 的速率逐步升温至 400〜800°C， 以氩气通入构成保护气氛并保温 330min〜350min; 进一步优选以 0. 8°C/min 的速率逐步升温至 400〜800°C， 以氩气通入构成保护气氛并保温 340min。

更优选地， 上述脱脂过程的条件为： 以 l〜2°C/min 的速率从室温升至 400°C， 保温 300〜330min， 以 1. 5〜2. 5°C/min的速率从 400°C升至 600〜800°C， 保温 180〜240min。

为了使得胚体烧结得更均匀、 透彻， 使制得的医用多孔钽材料强度更高， 上述烧结步 骤优选为真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa， 以 12〜15°C/min 升温至 1500〜1800°C、 保温 180〜 200min、 随炉冷至 200〜300°C， 再以 16〜19°C/min 升温至 1500〜1800°C、 保温 220〜 240min, 以 5〜8°C/min升温至 2000〜2200°C、 保温 250〜320min; 更进一步优选为真空 度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa， 以 13°C/min升温至 1800°C、 保温 200min、 随炉冷至 200〜300°C， 再以 17°C/min升温至 1800°C、保温 230min，以 7°C/min升温至 2000〜2200°C、保温 300min。

为了更充分地消除材料的内应力、 韧性更好， 上述热处理步骤是真空度为 10— ⁴ Pa〜 10— ³ Pa， 以 15°C/min升温至 800〜900°C、 保温 260〜320min， 再以 3°C/min冷至 400°C、 保温 120min， 再以 18°C/min〜23°C/min冷却至室温。

上述真空烧结后的冷却条件还包括有： 真空度不低于 10— ³ P _a ， 以不高于 25°C/min， 不 低于 lCTC/min渐降冷却速率方式， 对烧结多孔体分段降温冷却至 800°C， 各段保温时间 30min〜90min， 然后随炉冷却至常温。

优选地， 上述真空烧结后的冷却条件为： 真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ P _a; 以 10〜20°C/ _m in 的速率冷却至 1500〜1600°C， 保温 30〜60min; 以 12〜20°C/min 的速率冷却至 1200〜 1250°C , 保温 60〜90min; 以 10〜20°C/min的速率冷却至 800°C， 然后随炉冷却。

金属钽和铌的性质极类似， 上述方法同样也适合医用多孔铌材料的制备。

本发明多孔钽制备方法采用了纯物理模压法， 使得最终多孔钽材料中杂质的含量极 低， 有效地提高了生物相容性和生物安全性； 对本发明压制成型、 脱脂、 烧结及退火步骤 的工艺条件优化， 使得成品率高、 成品孔径均匀性更好、 使制备过程更稳定、 质量稳定性 好， 有效地消除了热应力、 使多孔钽材料的组织更均匀， 以进一步提高多孔钽的力学性能 如强度、 韧性同时都得到提高，本发明制备工艺使得成 品合格率高、 生产稳定， 产品合格 率可高达 95. 5%。 本发明制得的多孔钽成品孔隙分布均匀且连通 ， 生物相容性好， 经过测 试其杂质含量可低于 0. 2%、 密度可达 5. 83〜7. 50g/cm ³ , 孔隙度可达 55〜65%， 孔隙直径 可达 300〜500 m; 弹性模量可达 4. 5〜6. 0Gpa、 延伸率达 10. 5〜11. 7%， 弯曲强度可达 125〜150Mpa、抗压强度可达 72〜90Mpa， 有效解决了作为替代承重部位的医用多孔钽材 料 既要求其孔隙率较大、 又要求力学性能好的矛盾， 本发明多孔钽非常适合用于作为替代承 重骨组织的医用植入材料。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述， 有必要在此指出的是以下实施例只用于对 本发明进行进一步说明， 不能理解为对本发明保护范围的限制， 该领域的技术人员可以根 据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的 改进和调整。

实施例 1 : 称量硬脂酸锌、 平均粒径小于 43微米氧含量小于 0. 1%的钽粉和双氧水混 合均匀， 其中硬脂酸锌占 11%， 双氧水占 18%、 钽粉占 71%， 均以体积百分含量计。 加压成 型： 将上述混合粉末加入注塑成型机中在 87Mpa 下压制到聚氨酯泡沫体 （孔径 0. 48〜 0. 89mm, 密度 0. 015 g/cm ³ 〜0. 035g/cm ³ , 硬度大于 50。)中成型。脱脂处理： 真空度 10— ³ Pa， 以 1. 4°C/min的升温速率从室温升温至 400°C、 保温 311min; 再以 0. 4°C/min的升温速率 从 400°C升温至 750°C， 保温时间 350分钟。 真空烧结： 真空度为 10— ³ Pa， 以 13°C/min升 温至 1800°C、 保温 200min、 随炉冷至 200〜300°C， 再以 17°C/min升温至 1800°C、 保温 230min, 以 7°C/min升温至 2000 2200°C、 保温 300min。 真空烧结后的冷却处理： 真空 度为 10— ⁴ Pa， 以 10 20°C/min 的速率冷却至 1500 1600°C， 保温 30 60min， 以 12 20°C/min的速率冷却至 1200 1250°C， 保温 60 90min， 以 10 20°C/min的速率冷却至 800 °C , 然后随炉冷却。 热处理： 真空度为 10— ⁴ Pa 10— ³ Pa， 以 15°C/min升温至 800 900 °C、保温 260 320min，再以 3°C/min冷至 400°C、保温 120min，再以 18°C/min 23°C/min 冷却至室温， 再经常规制得医用多孔钽植入材料。

发明人按 GB/T5163_2006、 GB/T5249_1985、 GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品 的多孔材料密度、 孔隙率、 孔径及各种力学性能进行检测： 其杂质含量低于 0. 2%， 其孔隙 分布均匀， 密度 6. 55g/cm ³ ， 孔隙率 60%， 孔隙平均直径 350 m， 弹性模量 6. 0Gpa、 延伸 率 11. 02%, 弯曲强度 145MPa， 抗压强度 83Pa

实施例 2: 称取硬脂酸和石蜡、 平均粒径小于 43微米氧含量小于 0. 1%的钽粉和双氧 水混合均匀， 其中硬脂酸占 9%、 石蜡占 3%、 双氧水占 25%、 钽粉占 63%， 均以体积百分含 量计。 加压成型： 将上述混合粉末加入注塑成型机中在 75Mpa下压制到聚氨酯泡沫体 （孔 径 0. 48 0. 89 密度 0. 015 g/cm ³ 0. 035g/cm ³ ， 硬度大于 50°) 中成型。 脱脂处理： 真 空度 10— ⁴ Pa， 以 0. 3°C/min的升温速率从室温升温至 600°C、 保温 360min。 真空烧结： 真 空度为 10— ⁴ Pa， 以 10°C/min升温至 1500°C、 保温 240min、 随炉冷至 200 300°C， 再以 20 °C/min升温至 1500°C、 保温 180min， 以 10°C/min升温至 2000 2200°C、 保温 120min 冷却处理。 热处理： 真空度为 10— ³ Pa， 以 20°C/min升温至 800 900°C、 保温 240min， 再 以 5°C/min冷至 400°C、 保温 300min， 随炉冷却至室温， 再经常规制得医用多孔钽植入材 料。

发明人按 GB/T5163_2006、 GB/T5249_1985、 GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品 的多孔材料密度、 孔隙率、 孔径及各种力学性能进行检测： 其杂质含量低于 0. 2%， 其孔隙 分布均匀， 密度 6. 67g/cm ³ ， 孔隙率 55%， 孔隙平均直径 300 m， 弹性模量 4. 5Gpa、 延伸 率 10. 7%， 弯曲强度 143MPa, 抗压强度 74MPa

实施例 3: 称取异戊橡胶、 平均粒径小于 43微米氧含量小于 0. 1%的钽粉和碳酸氢铵 混合均匀， 其中异戊橡胶占 7%、 碳酸氢铵占 15%、 钽粉占 78%， 均以体积百分含量计。 加 压成型： 将上述混合粉末加入注塑成型机中在 96Mpa下压制到聚氨酯泡沫体（孔径 0. 48 0. 89mm, 密度 0. 015 g/cm ³ 0. 035g/cm ³ , 硬度大于 50。)中成型。脱脂处理： 真空度 10— ⁴ Pa 以 2°C/min的升温速率从室温升温至 400°C、 保温 300min。 真空烧结： 真空度为 10— ³ Pa 以 20°C/min升温至 1700°C、 保温 120min、 随炉冷至 200 300°C， 再以 10°C/min升温至 1670°C、 保温 240min， 以 5°C/min升温至 2000 2200°C、 保温 360min， 冷却处理。 热处 理： 真空度为 10— ⁴ Pa， 以 10°C/min升温至 800 900°C、 保温 480min， 再以 2°C/min冷至 400°C、 保温 120min， 随炉冷却至室温， 再经常规制得医用多孔钽植入材料。 发明人按 GB/T5163_2006、 GB/T5249_1985、 GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品 的多孔材料密度、 孔隙率、 孔径及各种力学性能进行检测： 其杂质含量低于 0. 2%， 其孔隙 分布均匀， 密度 6. 13g/cm ³ , 孔隙率 65%， 孔隙平均直径 456 μ m， 弹性模量 5. 2Gpa、 延伸 率 11. 0%， 弯曲强度 126MPa, 抗压强度 88MPa。

实施例 4: 称取硬脂酸、 平均粒径小于 43微米氧含量小于 0. 1%的铌粉和双氧水混合 均匀， 其中硬脂酸占 8%、 双氧水占 21%、 铌粉占 71%， 均以体积百分含量计。 加压成型： 将上述混合粉末加入注塑成型机中在 76Mpa下压制到聚氨酯泡沫体 （孔径 0. 48〜0. 89mm, 密度 0. 015 g/cm ³ 〜0. 035g/cm ³ ， 硬度大于 50。) 中成型。 脱脂处理： 真空度 10— ⁴ Pa， 以 0. 8°C/min的升温速率从室温升温至 400°C、 保温 340min。 真空烧结： 真空度为 10— ⁴ Pa， 以 12°C/min升温至 1650°C、 保温 180min、 随炉冷至 200〜300°C， 再以 16°C/min升温至 1700°C、 保温 220min， 以 8°C/min升温至 2000〜2200°C、 保温 320min， 冷却处理。 热处 理： 真空度为 10— ⁴ Pa， 以 13°C/min升温至 800〜900°C、 保温 275min， 再以 4°C/min冷至 400°C、 保温 220min， 随炉冷却至室温， 再经常规制得医用多孔钽植入材料。

发明人按 GB/T5163_2006、 GB/T5249_1985、 GB/T6886-2001等标准对上述多孔铌成品 的多孔材料密度、 孔隙率、 孔径及各种力学性能进行检测： 其杂质含量低于 0. 2%， 其孔隙 分布均匀， 密度 3. 51g/cm ³ ， 孔隙率 59%， 孔隙平均直径 344 μ ιιι， 弹性模量 2. 8Gpa、 延伸 率 10. 8%， 弯曲强度 lOOMPa, 抗压强度 65MPa。

实施例 5: —种多孔钽， 它以粒径小于 43 m、 氧含量小于 0. 1%的金属钽粉， 石蜡和 碳酸氢铵混合为原料， 再经压制成型、脱脂处理、真空烧结、真空退 火及常规后处理制得。

其中， 石蜡占 10%、 碳酸氢铵占 23%、 金属钽粉占 67%， 以体积百分含量计； 压制成型： 将原料混合粉末加入注塑成型机中在 60Mpa下压制到聚氨酯泡沫体 （孔径 0. 48〜0. 89mm, 密度 0. 015 g/cm ³ 〜0. 035g/cm ³ , 硬度大于 50。) 中成型；

压制成型后将混合粉末放入非氧化气氛炉中以 一定的升温速率升温至 800°C， 保护气 氛为 99. 999%氩气进行脱脂处理， 其在升温之前先通入纯净氩气至少 30min以排除炉内空 气，控温过程：以 1. 8°C/min的速率从室温升至 400°C，保温 323min，氩气通入量 0. 5L/min _; 以 0. 5°C/min的速率从 400°C升至 800°C， 保温 350min， 氩气通入量 lL/min; 再关闭电源， 脱脂后的样品随炉冷却， 氩气通入量 lL/min， 直至冷却至室温时关闭氩气；

对于脱脂处理后的样品随钨器置于高真空高温 烧结炉内以一定的升温速率升温进行 真空烧结， 在升温之前烧结炉的真空度至少要达到 10— ⁴ Pa， 以 12〜15°C/min的速率从室温 升至 1500°C， 保温 200min、 随炉冷至 200〜300°C， 真空度为 10— ⁴ Pa; 再以 17°C/min的速 率升至 1500°C， 保温 180min， 真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa; 以 8°C/min的速率升至 2200°C， 保温 320min， 真空度为 10— ³ Pa; 烧结完毕， 真空度为 10— ³ Pa， 以 10〜15°C/min的速率冷却 至 1600°C， 保温 30min; 以 12°C/min的速率冷却至 1200°C， 保温 60min; 以 10°C/min的 速率冷却至 800°C， 然后随炉冷却；

对于真空烧结冷却后的样品随刚玉容器置于真 空退火炉中以一定的升温速率升温至 125CTC进行去应力退火处理，在升温之前退火炉 内的真空度至少要达到 10— ⁴ Pa，以 15°C/min 的速率从室温升至 880°C， 保温 340min， 真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa; 再以 3°C/min的速率冷 却至 400°C， 保温 180min， 真空度为 10— ⁴ Pa〜10— ³ Pa; 以 22°C/min的速率冷却至室温。 最 后进行常规后处理制得多孔钽。

发明人按 GB/T5163_2006、 GB/T5249_1985、 GB/T6886-2001等标准对上述多孔钽成品 的多孔材料密度、 孔隙率、 孔径及各种力学性能进行检测： 其杂质含量低于 0. 2%， 其孔隙 分布均匀， 密度 6. 2 _g /cm ³ ， 孔隙率 64%， 孔隙平均直径 350 μ ιιι， 弹性模量 4. 8Gpa、 延伸率 11. 32%, 弯曲强度 138MPa， 抗压强度 85MPa。 经计算该制备工艺使得成品合格率高、 生产 稳定， 产品合格率达 94. 6%左右。