专利名称：一种孔隙非均匀分布仿生骨质材料制造方法
技术领域：
本发明属于生物材料领域，特别涉及孔隙非均匀分布仿生骨质材料。
背景技术：
骨组织是人体硬组织，使用其它材料来替代病变骨组织以达到治疗和修 复的研究己有数十年。 一般认为材料中的化学组元应与骨组织的主要组元相 似，其孔隙分布也应与人骨的外层皮质骨致密而内层松质骨疏松的结构相同， 无毒副作用，这样才能够保证其具有优良的生物相容性和生物降解性，以促 进新生骨组织的生长。
羟基磷灰石(HA)含有与人体骨组织相似的无机成分，植入体内后，在 体液的作用下，钙和磷会游离出材料表面，被机体吸收，并能与人体骨骼组 织形成化学键结合，生长出新的组织。因此，羟基磷灰石是目前公认的具有 良好的生物相容性与骨引导性(即生物活性)的生物材料。
人体骨由外层致密皮质骨和内层疏松松质骨组成，外层致密皮质骨提供 主要力学支撑，而内层疏松松质骨的孔隙结构沿受力方向不同非均匀分布， 这种结构使其能够适应一定范围的应力变化，并对外加应力产生缓冲作用， 同时多孔组织能促使血液流通，保证骨组织的正常代谢生长。
非均匀孔隙分布仿生复合材料的致密外层可如皮质骨一样提供力学支 撑，而多孔内层则引导骨组织的长入。连通孔隙的孔径在5 40,时，允许纤 维组织的长入；孔径为40~100(im时，允许非矿化的骨样组织长入；孔径在 150pm时，已能为骨组织的长入提供理想场所。多孔HA植入体内后，能使 软硬组织都长入孔隙内，形成纤维组织和新生骨组织的交叉结合状态，这种 界面能保持正常的代谢关系，骨-材料的界面结构达到生理性结合。当孔隙率 超过50%以后，孔隙之间能互相连通，新生组织可以从人工骨的表面长入到 内部，而且相互结合起来，这样不仅获得了良好的界面结合，而且新生组织 的长入既降低了多孔HA的脆性，又提高了强度。此外，由于多孔而降低了 HA材料的刚性，有利于界面应力的传导，符合界面力学要求，使界面能保持稳定，从而提高种植效果。
随着医疗技术水平的不断提高，对于合成的骨替代材料的要求不断提高。 合成和应甩仿生人体骨的非均匀孔隙分布的致密层/过渡层/疏松层复合材料， 引起了科学家和临床医生的关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种外层致密(提供力学支撑)、内层孔隙非均匀分布 (适宜于软硬组织向内生长)的仿生致密层/过渡层/疏松层复合材料的制取方 法。通过仿生人体骨组织的构造，外层提供力学支撑，内层引导软硬组织向 内生长来增强生物相容性及形成力学固定。且由于人体松质骨的孔隙非均匀 分布，复合材料的多孔层设计为过渡层与疏松层的复合来满足非均匀分布的 要求。
一种孔隙非均匀分布仿生骨质材料制造方法，本发明采用羟基磷灰石
(HA)与Ti (或316L)粉末为原料，加入成形剂和造孔剂，制备外层致密、内 层孔隙非均匀分布仿生骨质材料。Ti (或316L)粉末占HA/Ti或HA/316L复 合粉末含量的5~30vol%，过渡层造孔剂含量30~60vol%，疏松层造孔剂含量 60 80vol%。为了改善HA与Ti (或316L)粉末烧结中结合性能较差的缺点， 添加生物玻璃(BG)改善HA与Ti界面之间的结合状况，生物玻璃的添加量为 0.5-2wt%。
所述孔隙非均匀分布仿生骨质材料由外层、过渡层和内层组成，外 层为致密层，内层为疏松层。
所得材料外层为HA/Ti或HA/316L复合致密层，中间层为孔隙率38-60%、 孔径100-500pm占30-70%的HA/Ti或HA/316L复合过渡层，内层为孔隙率 57-80%、孔径100-500nm占50-80%的HA/Ti或HA/316L复合疏松层。
孔隙非均匀分布仿生骨质材料的制备方法为按比例配好HA/Ti (316L) 复合粉末或HA/BG/Ti G16L)复合粉末后，置于机械式混料机上，加二氧化 锆球球磨混合，而后过200目筛。将制得的粉末装入直径为25-30mm圆柱状 模具，装粉时使用钼片将所添加的不同成分粉料按照致密层/过渡层/疏松层要 求隔开，而后压制成形，得到压坯。在高真空条件下进行烧结(真空度为 10—2Pa)，在80(TC的温度下，保温一定时间(l-2h)，以脱除压制时所添加的成 形剂及造孔剂。而后再缓慢升温至预定烧结温度(1050-1250°C)，保温l-2h。为了使成形效果更好，在HA/Ti (316L)混合料中添加质量百分数为 0.5 lwt。/。的硬脂酸作为成形剂。
所述造孔剂可以为萘、碳酸氢氨或尿素。
本发明中，HA和相应量Ti (或316L)粉末混合的过程可以采用球磨方 式进行，时间最好为4 12h。
本发明以HA为基体，以Ti粉或316L粉为增强相，以生物玻璃为粘结 相，以粉末冶金真空烧结技术和钼片分隔法为制造方法，模拟人体骨组织的 非均匀孔隙分布特性，制备致密层/过渡层/疏松层非均匀孔隙仿生骨质材料。 外层为致密层，过渡层为孔隙率38-60%、孔径100-500pm占30-70%的HA/Ti 或HA/316L复合过渡层，内层为孔隙率57-80%、孔径100-500pm占50-80% 的HA/Ti或HA/316L复合疏松层，且孔隙结构均为连通孔隙。生物材料的孔 隙结构能基本满足人体骨组织Haversian系统0 500|im孔隙尺寸的要求。本 发明的材料兼具优越的生物相容性和力学性能，在承重骨修复与重建方面将 具有广阔的临床应用前景。
图1是实施例1孔隙非均匀分布仿生骨质材料装模示意图，其中1-疏松 层(内层)；2-过渡层；3-致密层(外层)；4-模具内壁； 图2是实施例1烧结样品宏观示意图； 图3是实施例1过渡层的孔隙统计图； 图4是实施例1疏松层的孔隙统计图； 图5是实施例2烧结样品宏观示意图； 图6是实施例2过渡层的孔隙统计图； 图7是实施例2疏松层的孔隙统计图； 图8是实施例3烧结样品宏观示意图； 图9是实施例3过渡层的孔隙统计图； 图10是实施例3疏松层的孔隙统计图。
具体实施方式
实施例l
将制得的HA粉、Ti粉、萘、硬脂酸，按照致密层不添加造孔剂，过渡
5层添加40vol。/。造孔剂，疏松层添加60voP/。造孔剂的方法配料，Ti占HA/Ti复合粉末含量为15%，硬脂酸在复合粉末中的含量为0.8wt。/c)。按照以上的比例配好粉末后，将其置于机械式混料机上，加二氧化锆球混合4h，而后过筛200目。至此，压制所需要的粉末制备完毕。
将制得的粉末装模，模具为圆柱状(d=26mm)，装粉时使用钼片将所添加的不同成分的粉料按图1要求隔开。分隔之后马上装粉，装粉过程中保持钼片的竖直稳定，以保证粉末装入后为圆柱状，全部粉末都装完后，将钼片缓缓取出，该过程必须小心操作，以免导致粉末的无序混合，造成试验的失败。装粉完毕后，将待压样置于液压万能试验机上压制，压力定为150MPa，压制过程中，需要在最大压力点150MPa处保压30s，而后脱模得到压坯。在真空烧结炉进行烧结(真空度为l(T2Pa)。以5°C.min"的升温速率升至800°C，保温lh，然后以1(TC.min"升至120(TC，保温2h。烧结过程中应控制缓慢的升温速率，以防止材料整体受热不均匀而导致裂纹产生和避免造孔剂的快速挥发而导致材料的坍塌现象。
烧结后的样品如图2所示。图2的宏观照片分析表明，致密层、过渡层、疏松层三层的梯度结构已经形成，样品具有较高强度，试样表面没有微裂纹出现。
15%Ti非均匀孔隙分布复合材料过渡层和疏松层孔隙累积百分数可列出统计图，如图3和图4。如图3所示，在过渡层部分，孔隙率为38.5%， (M00(im的孔隙的累积百分数为64.6%, 100~500^im的孔隙累积百分数为35.4%。如图4所示，在疏松层部分，孔隙率为63.5。/。，0 100^im的孔隙所占百分数为34.4%,100 500(im的孔隙所占百分比为65.6%。
根据人体骨组织Halffson系统，骨组织的孔隙尺寸为0 500prn;作为引导骨组织生长的支架材料，其最佳孔隙尺寸应该在100 500^im以内。结合上面分析可知，本实施例的结果能够满足上述的条件，且试样的疏松层和过渡层之间的孔隙非均匀分布己经形成。
实施例2
将制得的HA粉、316L粉、碳酸氢氨、硬脂酸，按照致密层不添加造孔剂，过渡层添加40vol。/。造孔剂，疏松层添加65vol。/。造孔剂的方法配料，316L占HA/316L复合粉末含量为25e/。，硬脂酸在复合粉末中的含量为0.5wt%。按照以上的比例配好粉末后，将其置于机械式混料机上，加二氧化锆球混合8h，而后过筛200目。至此，压制所需要的粉末制备完毕。
将制得的粉末装模，模具为圆柱状(d=25mm)，装粉时使用钼片将所添加的不同成分的粉料按图1要求隔开。分隔之后马上装粉，装粉过程中保持钼片的竖直稳定，以保证粉末装入后为圆柱状，全部粉末都装完后，将钼片缓缓取出，该过程必须小心操作，以免导致粉末的无序混合，造成试验的失败。装粉完毕后，将待压样置于液压万能试验机上压制，压力定为200MPa，压制过程中，需要在最大压力点200MPa处保压30s，而后脱模得到压坯。在真空烧结炉进行烧结(真空度为10'2Pa)，以5'C.min"的升温速率升至SOO。C，保温1.5h，然后以l(TC.min"升至1150°C，保温2h。烧结过程中应控制缓慢的升温速率，以防止材料整体受热不均匀而导致裂纹产生和避免造孔剂的快速挥发而导致材料的坍塌现象。
烧结后的样品如图5所示。图5的宏观照片分析表明，致密层、过渡层、疏松层三层的梯度结构已经形成，样品具有较高强度，试样表面没有微裂纹出现。
25%316L非均匀孔隙分布复合材料过渡层和疏松层孔隙累积百分数可列出统计图，如图6和图7。如图6所示，在过渡层部分，孔隙率为42.4%，0 100(^1的孔隙的累积百分数为56.2%， 100~500^11的孔隙的累积百分数为43.8%。如图7所示，在疏松层部分，孔隙率为67.5%， 0 100|_im的孔隙所占百分数为31.6%, 100~500[im的孔隙所占百分比为68.4%。
根据人体骨组织Halffson系统，骨组织的孔隙尺寸为0 500pm;作为引导骨组织生长的支架材料，其最佳孔隙尺寸应该在100~500^im以内。结合上面分析可知，本实施例的结果能够满足上述的条件，且试样的疏松层和过渡层之间的孔隙非均匀分布己经形成。
实施例3
将制得的HA粉、Ti粉、生物玻璃粉、萘、硬脂酸，按照致密层不添加造孔剂，过渡层添加55voiy。造孔剂，疏松层添加75volM造孔剂的方法配料，Ti占HA/Ti复合粉末含量为8%，硬脂酸在复合粉末中的含量为0.6wty。，生物玻璃在复合粉末中的含量为0.8wt。/c)。按照以上的比例配好粉末后，将其置
于机械式混料机上，加二氧化锆球混合3h，而后过筛200目。至此，压制所
需要的粉末制备完毕。
将制得的粉末装模，模具为圆柱状(d=28mm)，装粉时使用钼片将所添加的不同成分的粉料按图1要求隔开。分隔之后马上装粉，装粉过程中保持钼片的竖直稳定，以保证粉末装入后为圆柱状，全部粉末都装完后，将钼片缓缓取出，该过程必须小心操作，以免导致粉末的无序混合，造成试验的失败。装粉完毕后，将待压样置于液压万能试验机上压制，压力定为300MPa，压制过程中，需要在最大压力点300MPa处保压30s，而后脱模得到压坯。在真空烧结炉进行烧结(真空度为10—2Pa)，以5°C.min"的升温速率升至800°C，保温lh，然后以l(TC.min"升至110(TC，保温2h。烧结过程中应控制缓慢的升温速率，以防止材料整体受热不均匀而导致裂纹产生和避免造孔剂的快速挥发而导致材料的坍塌现象。
烧结后的样品如图8所示。图8的宏观照片分析表明，致密层、过渡层、疏松层三层的梯度结构已经形成，样品也具有较高强度，试样表面没有微裂纹出现。
8%Ti非均匀孔隙分布复合材料过渡层和疏松层孔隙累积百分数可列出统计图，如图9和图10。如图9所示，在过渡层部分，孔隙率为58.8%, (MOOpm的孔隙的累积百分数为64.6%， 100 500(im的孔隙的累积百分数为35.4。/。。如图10所示，在疏松层部分，孔隙率为78.4%， 0 100)im的孔隙所占百分数为34.4%, 100~500pm的孔隙所占百分比为65.6%。
根据人体骨组织Halffson系统，骨组织的孔隙尺寸为0~500pm;作为引导骨组织生长的支架材料，其最佳孔隙尺寸应该在100~500(im以内。结合上面分析可知，本实施例的结果能够满足上述的条件，且试样的疏松层和过渡层之间的孔隙非均匀分布己经形成。
权利要求
1.一种孔隙非均匀分布仿生骨质材料制造方法，其特征在于(1)所述孔隙非均匀分布仿生骨质材料由外层、过渡层和内层组成，外层为致密层，内层为疏松层；(2)所述孔隙非均匀分布仿生骨质材料的制备原料为羟基磷灰石即HA与Ti或316L粉末，Ti或316L粉末占HA/Ti或HA/316L复合粉末含量的5～30vol％；(3)在原料粉末混合时加入造孔剂，过渡层原料粉末造孔剂含量30～60vol％，疏松层原料粉末造孔剂含量60～80vol％；(4)原料粉末经球磨后过200目筛，装入圆柱状模具，装粉时使用钼片将粉料按照致密层/过渡层/疏松层隔开，而后压制成形，得到压坯；压坯在高真空条件下进行烧结，烧结真空度为10-2Pa，在800℃的温度下，保温1-2h，再缓慢升温至烧结温度1050-1250℃，保温1-2h；
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于在原料粉末中添加质量百 分数为0.5-2%的生物玻璃。
3. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于在原料粉末中添加质量百 分数为0.5~1%的硬脂酸作为成形剂。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述造孔剂为萘、碳酸氢 氨或尿素。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述圆柱状模具直径为 25-30mm。
6. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于所述球磨时间为4 12h。
全文摘要
本发明公开了一种孔隙非均匀分布仿生骨质材料制备方法。本发明以HA/Ti或HA/316L复合粉为原料，在模具内通过钼片将原料粉分开形成致密层/过渡层/疏松层，在100～300MPa的压力下常规压制得到压坯；压坯进行真空烧结，在800℃保温1.5-2h，再缓慢升温至烧结温度1050-1250℃，保温1-2h。本发明所得仿生骨质材料，外层为致密层，过渡层孔隙率38-60％、孔径100-500μm占30-70％，内层孔隙率57-80％、孔径100-500μm占50-80％，且孔隙结构均为连通孔隙，其孔隙结构能满足人体骨组织Haversian系统0～500μm孔隙尺寸的要求；本发明的材料兼具优越的生物相容性和力学性能，在承重骨修复与重建方面将具有广阔的临床应用前景。
文档编号A61L27/12GK101549175SQ20091004340
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月15日 优先权日2009年5月15日
发明者邹俭鹏, 阮建明 申请人:中南大学