一种生物活性多孔钛医用植入材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法，属于生物医用材料领域。
技术背景
[0002]金属材料优异的力学性能使其在医疗器械，尤其是骨科材料及器械方面得到了广泛的应用。钛及钛合金是迄今在临床应用最为成功的医用金属材料，其良好的生物相容性、高的力学强度和耐腐蚀性，使它成为人体承重部位受损硬组织，如骨、关节、牙等替换或修复的首选材料。但是，钛及钛合金本质上的生物惰性，使其难以与周围骨组织形成有效的骨整合，常导致植入体松动而引起慢性炎症，最终导致植入失败。此外，钛及钛合金过高的弹性模量与人体骨组织不匹配，容易产生应力屏蔽现象，导致植入体周围的骨吸收，并最终引发植入体松动和失效。
[0003]为解决上述问题，研宄者们围绕钛金属弹性模量的降低及其表面生物活化改性进行了大量的工作，也取得了较好的进展。其中，由于多孔结构的引入可大幅降低钛及钛合金的弹性模量至与人体骨组织接近的水平，人们就多孔钛的制备提出和发展了多种不同的方法，如基于粉末冶金技术的空间占位法、松装烧结法和浆料发泡法等，以及基于选区激光烧结或电子束熔融技术的快速成型法等。上述的这些多孔钛制备方法各有优缺点，如浆料发泡法工艺简单，但制备多孔金属的孔尺寸分布较宽，重复性较差；3D打印技术尽管可以精确控制孔隙尺寸和结构，但对设备和原材料的要求较高，制作成本高；有机泡沫浸渍法可制备类似聚合物泡沫高度开孔的多孔金属，但如何控制浆料沉降引起孔结构不均匀和提高力学强度是需要克服的主要问题。另一方面，为促进医用钛金属的骨整合性，人们发展了多种不同的表面改性方法，如阳极氧化、酸碱或碱热处理、等离子喷涂羟基磷灰石涂层、生物仿生矿化类骨磷灰石层等。其中，等离子喷涂羟基磷灰石涂层是研宄最成熟且已在临床上得到广泛应用的技术，该法具有生产效率高、涂层均匀、涂层厚度易控、重复性好等优点。但是，处于高温高速等离子体射流中的羟基磷灰石粉体很容易发生融化、相变甚至分解，从而导致羟基磷灰石涂层成分复杂化，与基底金属因热膨胀系数不匹配而导致涂层在液体中容易剥脱等。此外，等离子体喷涂的线性工艺使其无法应用于异形和多孔结构的植入体上。近年来，常温液相非线性涂层制备技术得到了快速的发展，如仿生矿化沉积法制备的磷灰石涂层与人体骨的无机质更接近，工艺简单，成本较低，涂层组分均匀等优点，但存在着涂层生长速度慢、不易控制涂层厚度和均匀性、涂层与基底结合力差等问题。相比而言，电化学沉积法是一种方便经济的方法，反应多在较低的温度进行，涂层均匀厚度可调，重复性较好，但现有技术应用于多孔金属表面的涂层制备尚需解决内部孔隙表面涂层沉积的均匀性问题，并且没有在多孔金属表面制备多层结构的生物活化改性层的相关记载。
[0004]综上所述，开发制备一种满足临床需要，尤其可用于承力部位骨缺损修复的生物活性多孔钛医用植入材料具有重要的意义。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明提供了一种生物活性多孔钛医用植入材料及其制备方法。
[0006]本发明通过以下技术方案来实现:
一种生物活性多孔钛医用植入材料，包括基底层和表面层，所述基底层为多孔钛，所述表面层为由致密氧化钛底层、氧化钛凝胶中间层及磷酸钙外层的三层结构组成。作为可选方式，所述多孔钛基底层具有完全三维贯通的梯度孔结构，所述氧化钛凝胶中间层具有纳米级的网状多孔结构，所述磷酸钙外层具有纳米棒状或鳞片状结构。
[0007]作为可选方式，在上述生物活性多孔钛医用植入材料中，所述多孔钛基底层具有梯度孔结构。
[0008]作为可选方式，上述生物活性多孔钛医用植入材料的孔隙率为60~90%，抗压强度彡 1MPa。
[0009]作为可选方式，上述生物活性多孔钛医用植入材料表面层的总厚度< 5微米。
[0010]本发明还提供了一种生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法，所述方法包括多孔钛坯体的制备、坯体的烧结、表面化学处理、表面电化学处理。进一步的，在所述表面电化学处理步骤之后还可以包括水热后处理步骤。所得生物活性多孔钛医用植入材料包括基底层和表面层，所述基底层为多孔钛，所述表面层由致密氧化钛底层、氧化钛凝胶中间层及磷酸钙外层的三层结构组成。
[0011]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述多孔钛坯体的制备工艺包括有机泡沫的选材、钛浆料的制备、有机泡沫浸渍法制备多孔钛坯体及坯体的烧结。作为可选方式，所述有机泡沫的选材为不同孔径的聚氨酯泡沫(20-80PPI)，优选40 PPI的聚氨酯泡沫，所述PPI (Pore Per Inch)是指每单位英寸上的孔洞数。
[0012]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述多孔钛坯体的制备包括有机泡沫浸渍钛浆料、离心去除多余浆料、真空干燥箱中干燥、重复上述步骤多次得到符合要求的多孔钛坯体。
[0013]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述多孔钛坯体的制备工艺包括:
(1)钦楽■料的制备；
(2)聚氨酯泡沫浸渍钛浆料；
(3)尚;1_1、去除多余钦楽料；
(4)坯体干燥；
(5)重复(2)~(4)步骤多次得到符合要求的多孔钛坯体。
[0014]所制备的生物活性多孔钛医用植入材料的孔隙率可通过选择不同孔径聚氨酯泡沫和挂浆次数控制在60~90%，抗压强度彡1MPa0
[0015]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述步骤
(5)中可使用具有不同固液比的钛浆料。
[0016]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，可通过在步骤(2)中使用多种(如2~3种)不同孔径结构聚氨酯泡沫的组合体进行浸渍，制备得到具有梯度孔结构的多孔钛。
[0017]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述步骤(I)具体为采用粒径< 50微米的纯钛粉或钛合金粉作为原料，以PVA为粘结剂，所述PVA溶液的溶剂为水和乙醇的混合物，其中乙醇的含量为15~50% ;所述钛浆料中钛粉与PVA溶液的固液比3~10g/10mL，优选8g/10mL、6g/10mL及3g/10mL。进一步的，所述PVA的浓度范围为2~8%，优选5%。本发明提出一种改进的有机泡沫浸渍工艺，即以水和乙醇的混合物为溶剂制备钛浆料，并调节多次挂浆的固液比、离心力等参数制备孔结构均匀的多孔钛基体材料，并采用后续表面化学和电化学处理在多孔钛基体材料表面制备由致密氧化钛底层、氧化钛凝胶中间层及磷酸钙外层的三层结构组成的表面生物活化层，从而得到一种生物活性多孔钛医用植入材料。该法的优点在于充分利用了乙醇的挥发性和消泡作用，控制钛浆料的挂浆和流动性，减少气孔数量，从而提高多孔钛孔结构的均匀性和力学强度。此外，表面磷酸钙/氧化钛凝胶/致密氧化钛三层结构可保持外层磷酸钙的稳定性和附着力，并大幅提尚多孔钦的生物活性。
[0018]作为可选方式，在上述的生物活性多孔钛医用植入材料的制备方法中，所述多孔钛坯体的烧结工艺为阶段升温方式的真空烧结，200 °C以下升温速率为彡5 V /min,200-600 °C升温速率为1~2 0C /min, 60