本发明专利技术公开了一种采用激光快速成形制备ＨＡ／Ｔｉ梯度生物活性材料的方法，该方法引入梯度功能材料的概念，将ＣａＨＰＯ↓［４］.２Ｈ↓［２］Ｏ＋ＣａＣＯ↓［３］与钛粉末配比按梯度变化，利用激光快速成形技术将混合材料采取同步送粉方式直接熔覆于钛金属表面，期望获得具有良好两相结合强度的医用梯度生物活性材料，促进金属表面成骨细胞的增殖与分化、解决金属植入材料与骨早期结合的难题，为钛在临床的更好应用提供理论和实验基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于医学领域，涉及金属功能材料制备方法或者金属植入体的表 面改性处理方法，特别是一种采用激光快速成形制备HA/Ti梯度生物活性材 料的方法，用该方法制备骨组织金属植入体。
技术介绍
钛及钛合金作为生物惰性材料以其良好的力学特性和生物相容性在口 腔科、骨科领域和毗邻学科中得到广泛应用，可以加工成为牙种植体、人工 关节、接骨板、髓内钉等。随着人口老龄化趋势，牙种植体、人工关节等植 入体的植入数量逐年增加，在牙种植体方面，国内需求总量就超过400万枚。 目前全球每年约有150万人接受人工关节置换术，国内每年约有200万人接 受内固定和人工关节置换手术。随着医疗条件的改善和患者对生活质量要求 的提高，牙种植体、人工关节等植入体将形成一个巨大的需求市场。虽然近 年来钛植入体在材质、置备工艺、外形设计和表面改性等方面进行了改进， 获得了较好的力学性能和生物相容性，但仍然存在材料表面生物活性不理想 问题。因此，有必要从材料表面生物活性方面对现有钛植入体进行改性，提 高材料表面的生物活性，使植入体能够与周围的骨组织形成稳定的生物结 合，保证植入体的近远期效果。羟基磷灰石(hydroxyapatite， HA或HAp)是人体硬组织的主要成分，具有骨组织诱导再生作用，被公认是一种生物活性性材料。但是，对目前方法 所加工出的钛基羟基磷灰石复合材料进行检测表明，二者的结合强度不足， 植入体在体内承重时涂层易剥落。1984年，平井敏雄首先提出了梯度功能 材料(Functionally Gradient Materials, FGM)的新概念，基本思想是根据具体要求，选择两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组 成和结构，使其两相界面消失，从而得到功能相应于组成和结构变化而渐变 的非均质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配问题。激光快速成形(Laser Rapid Forming, LRF)技术是将激光涂覆和快速原型技术相结合的 先进制造技术，具有快速、经济、不受零件的复杂程度限制等优点，并可使 零件具有优越的性能，还具有加工复合材料的潜能。20世纪60-80年代在对工业化材料进行生物相容性研究的基础上，开 发了生物医用硬组织植入材料及产品，并运用于临床，包括不锈钢、钛及其 合金以及钴基合金等金属材料。其中，钛金属由于其良好的力学性能、化学 稳定性、抗腐蚀性能和生物学性能，成为目前应用最广泛的医用植入材料。 上世纪80年代，以医疗、保健和增进生活质量等为目的生物医用硬组织材料 取得了快速的发展，如1980年仅美国被用作人体硬组织的植入材料就有40 多种，多达二三百万人次接受了植入治疗，使他们的寿命延长了 5 — 25年， 而且至今仍在临床广泛使用。然而，这一类生物医用硬组织植入材料在临床 中只能被动地适应机体的生理环境，并不能加速伤口愈合。另外，其与骨组织 缺乏键合作用，使植入材料与生物主体之间的界面问题成为临床应用过程中 普遍存在和难以避免的制约因素。因此，从上世纪80-90年代开始，生物医用材料的研究重点逐渐从生物 惰性转向生物活性及生物可降解性方向，国内外学者开始对钛金属表面进行 生物活性改性研究，旨在赋予其生物活性性、提高其表面稳定性、耐腐蚀性 和基于硬度和弹性模量的力学相容性。常用的表面处理技术主要有物理方 法、化学方法和电化学方法。其中，等离子喷涂是用直流电弧产生的等离子 流把HA粉末高温熔融后高速喷至金属基体表面形成HA涂层，成为目前最常 用的表面改性方法，且己应用于临床。但是等离子涂层材料在体内多种生物 学效应的作用下，涂层会出现分层、降解甚至剥脱，长期效果不佳。阳极氧化法是利用电化学原理，在特定电解液中经电场作用形成具有活性的钛羟基 (TiOH)，从而发挥钛羟基在生物体内或模拟体液中矿化形成磷灰石的作 用。微弧氧化是在阳极氧化基础上建立起来的在有色金属表面原位生长陶瓷膜的技术，陶瓷膜的主要成分是具有晶态结构的Ti02，在动物实验中证实可促进骨整合过程。但是，目前最有利于磷灰石形成的氧化物结构并不清楚， 只是形成了具有一定孔隙和一定厚度的氧化物。医用植入材料的表面改性方 法虽然很多，但迄今为止应用于临床的还仅限于等离子涂层材料和微弧氧化 材料，其它涂层材料的临床应用尚未见报导。功能性梯度材料概念是日本科学家平井敏雄1984年为制作宇航工业用热障材料提出的，这种全新的材料设计概念的基本思想是根据具体要求，选择使用两种具有不同性能的材料，通过连续地改变两种材料的组成和结 构，使其两相界面消失，从而得到功能相应于组成和结构变化而渐变的非均 质材料，以减小和克服结合部位的性能不匹配因素。其特点在于材料内部没 有明显的界面，组成、形态、微结构连续呈梯度渐变，性质和功能也随之呈 梯度变化。功能性梯度材料的两侧或不同层面由不同性能的材料组成，微观 部分的结构形成原子、分子的连续渐变，从而消除了不同材料结合的性能不 匹配因素。比如在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变 化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料具有耐热应力强度和机械 强度均较好的新功能。与此同时，中国武汉大学学者袁润章等也提出功能性 梯度材料的概念并展开研究。储成林等通过粉末冶金法热压烧结制备了20。/。HA/Ti和4(mHA/Ti生物复合材料，探讨了工艺参数，并对复合材料的相组 成和生物学性能进行了研究，其物相组成以HA陶瓷相和六方结构的a -Ti金 属相为主，HA陶瓷相部分分解为a-Ca3 (P04)2、 a -TCP相和Ca40 (P0》2相， 体内植入试验表明其具有良好的生物相容性和骨引导性，可以形成骨整合， 植入3月后，复合材料与新骨的结合强度已达到4.73MPa。另外，通过热压方式成功制备了对称功能梯度HA-Ti/ Ti/HA- Ti叠层复合材料，其抗弯强度能 达到158.9MPa，明显高于人体骨的强度，剪切实验表明其界面结合强度甚至 超过了新生骨组织本身，动物体内植入实验表明其与周围骨组织的结合强度 可达6. 49MPa，高于纯HA与新骨的结合强度(5. 43MPa)。 Fumio Watari等通 过冷等静压冶金叠层法制备了Ti/HA FGM植入体，动物植入实验表明与纯钛 植入体相比Ti/HA FGM具有优良的生物相容性，Afsaneh Rabiei等采用离子 束辅助沉积法在硅基体上制备了成梯度的HA涂层，并进行了微观、机械性能 和生物学性能研究，结果表明涂层结晶和生物活性较好，但机械性能有待改 善。目前，粉末冶金和离子束辅助沉积上述两种研究最为广泛的方法制备梯 度材料尚处于基础研究阶段，HA的热分解问题还需要进一步的研究，制得的 梯度材料力学性能还有待改善，而这也是决定其应用于临床的关键。国内学者刘其斌等尝试应用宽带激光采用手动预置粉末的方法在基材 Ti-6A1-4V上熔覆梯度生物活性陶瓷，并对成形工艺、微观结构和相组成进 行研究，结果在Ti合金表面成功地制得了含有生物活性的P -TCP+HA梯度生物陶瓷复合涂层，基材与合金化层以及合金化层与生物陶瓷涂层之间均实现 了冶金结合。C. F. Koch等应用脉冲激光同样采用手动预置粉末的方法成功的 于Ti-6Al-4V表面沉积了一层HA并分析了本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种采用激光快速成形制备ＨＡ／Ｔｉ梯度生物活性材料的方法，其特征在于，该方法选用纯钛粉末、ＣａＨＰＯ↓［４］.２Ｈ↓［２］Ｏ与ＣａＣＯ↓［３］粉末，采用激光加工设备在纯钛锻造板材上制备ＨＡ／Ｔｉ梯度生物活性材料，具体包括下列步骤： 步骤一，对纯钛锻造板材表面先用砂纸进行打磨后用丙酮清洗去污； 步骤二，将纯钛粉末、ＣａＨＰＯ↓［４］.２Ｈ↓［２］Ｏ与ＣａＣＯ↓［３］混合粉末分别置入两路或三路自动送粉器，其中，ＣａＨＰＯ↓［４］.２Ｈ↓［２］Ｏ与ＣａＣＯ↓［３］粉末按照７０～８０％比２０～３０％的质量比混合，同时在混合粉末中加入微量稀土Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］； 步骤三，调整粉末的输出量，纯钛粉末按照１００％、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％顺序递减，ＣａＨＰＯ↓［４］.２Ｈ↓［２］Ｏ和ＣａＣＯ↓［３］混合粉末按照１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％顺序递增； 步骤四，控制激光功率密度为６０ｗ／ｍｍ２～８０ｗ／ｍｍ２，激光扫描速度８５０ｍｍ／ｍｉｎ～９５０ｍｍ／ｍｉｎ，自动送粉器送粉量范围１－１０ｇ／ｍｉｎ，搭接率为３５％，在纯钛锻造板材表面进行多层熔覆； 所述的多层熔覆的工艺过程是： 激光束在基材表面形成一定尺寸的熔池，在激光扫描的同时，送粉器按照各自的送粉比例向熔池中送入金属／陶瓷粉末，即进行同步送粉涂覆，冷凝后得到具备单层涂覆的钛基陶瓷材料； 然后将激光束和送粉器沿Ｚ轴方向上升一个距离⊿Ｚ，按照预先设定，调整各个送粉器的送粉比例，再重复前一个步骤，涂覆下一层材料； 循环往复，即可制得在钛基材表面逐渐过渡、ＨＡ含量逐渐增多的功能梯度活性材料。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高勃，林鑫，胡江，关泰红，高阳，吕晓卫，
申请(专利权)人：中国人民解放军第四军医大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]
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