一種生物活性多孔鈦醫用植入材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法，屬于生物醫用材料領域。
技術背景
[0002]金屬材料優異的力學性能使其在醫療器械，尤其是骨科材料及器械方面得到了廣泛的應用。鈦及鈦合金是迄今在臨床應用最為成功的醫用金屬材料，其良好的生物相容性、高的力學強度和耐腐蝕性，使它成為人體承重部位受損硬組織，如骨、關節、牙等替換或修復的首選材料。但是，鈦及鈦合金本質上的生物惰性，使其難以與周圍骨組織形成有效的骨整合，常導致植入體松動而引起慢性炎癥，最終導致植入失敗。此外，鈦及鈦合金過高的彈性模量與人體骨組織不匹配，容易產生應力屏蔽現象，導致植入體周圍的骨吸收，并最終引發植入體松動和失效。
[0003]為解決上述問題，研宄者們圍繞鈦金屬彈性模量的降低及其表面生物活化改性進行了大量的工作，也取得了較好的進展。其中，由于多孔結構的引入可大幅降低鈦及鈦合金的彈性模量至與人體骨組織接近的水平，人們就多孔鈦的制備提出和發展了多種不同的方法，如基于粉末冶金技術的空間占位法、松裝燒結法和漿料發泡法等，以及基于選區激光燒結或電子束熔融技術的快速成型法等。上述的這些多孔鈦制備方法各有優缺點，如漿料發泡法工藝簡單，但制備多孔金屬的孔尺寸分布較寬，重復性較差；3D打印技術盡管可以精確控制孔隙尺寸和結構，但對設備和原材料的要求較高，制作成本高；有機泡沫浸漬法可制備類似聚合物泡沫高度開孔的多孔金屬，但如何控制漿料沉降引起孔結構不均勻和提高力學強度是需要克服的主要問題。另一方面，為促進醫用鈦金屬的骨整合性，人們發展了多種不同的表面改性方法，如陽極氧化、酸堿或堿熱處理、等離子噴涂羥基磷灰石涂層、生物仿生礦化類骨磷灰石層等。其中，等離子噴涂羥基磷灰石涂層是研宄最成熟且已在臨床上得到廣泛應用的技術，該法具有生產效率高、涂層均勻、涂層厚度易控、重復性好等優點。但是，處于高溫高速等離子體射流中的羥基磷灰石粉體很容易發生融化、相變甚至分解，從而導致羥基磷灰石涂層成分復雜化，與基底金屬因熱膨脹系數不匹配而導致涂層在液體中容易剝脫等。此外，等離子體噴涂的線性工藝使其無法應用于異形和多孔結構的植入體上。近年來，常溫液相非線性涂層制備技術得到了快速的發展，如仿生礦化沉積法制備的磷灰石涂層與人體骨的無機質更接近，工藝簡單，成本較低，涂層組分均勻等優點，但存在著涂層生長速度慢、不易控制涂層厚度和均勻性、涂層與基底結合力差等問題。相比而言，電化學沉積法是一種方便經濟的方法，反應多在較低的溫度進行，涂層均勻厚度可調，重復性較好，但現有技術應用于多孔金屬表面的涂層制備尚需解決內部孔隙表面涂層沉積的均勻性問題，并且沒有在多孔金屬表面制備多層結構的生物活化改性層的相關記載。
[0004]綜上所述，開發制備一種滿足臨床需要，尤其可用于承力部位骨缺損修復的生物活性多孔鈦醫用植入材料具有重要的意義。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本發明提供了一種生物活性多孔鈦醫用植入材料及其制備方法。
[0006]本發明通過以下技術方案來實現:
一種生物活性多孔鈦醫用植入材料，包括基底層和表面層，所述基底層為多孔鈦，所述表面層為由致密氧化鈦底層、氧化鈦凝膠中間層及磷酸鈣外層的三層結構組成。作為可選方式，所述多孔鈦基底層具有完全三維貫通的梯度孔結構，所述氧化鈦凝膠中間層具有納米級的網狀多孔結構，所述磷酸鈣外層具有納米棒狀或鱗片狀結構。
[0007]作為可選方式，在上述生物活性多孔鈦醫用植入材料中，所述多孔鈦基底層具有梯度孔結構。
[0008]作為可選方式，上述生物活性多孔鈦醫用植入材料的孔隙率為60~90%，抗壓強度彡 1MPa。
[0009]作為可選方式，上述生物活性多孔鈦醫用植入材料表面層的總厚度< 5微米。
[0010]本發明還提供了一種生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法，所述方法包括多孔鈦坯體的制備、坯體的燒結、表面化學處理、表面電化學處理。進一步的，在所述表面電化學處理步驟之后還可以包括水熱后處理步驟。所得生物活性多孔鈦醫用植入材料包括基底層和表面層，所述基底層為多孔鈦，所述表面層由致密氧化鈦底層、氧化鈦凝膠中間層及磷酸鈣外層的三層結構組成。
[0011]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述多孔鈦坯體的制備工藝包括有機泡沫的選材、鈦漿料的制備、有機泡沫浸漬法制備多孔鈦坯體及坯體的燒結。作為可選方式，所述有機泡沫的選材為不同孔徑的聚氨酯泡沫(20-80PPI)，優選40 PPI的聚氨酯泡沫，所述PPI (Pore Per Inch)是指每單位英寸上的孔洞數。
[0012]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述多孔鈦坯體的制備包括有機泡沫浸漬鈦漿料、離心去除多余漿料、真空干燥箱中干燥、重復上述步驟多次得到符合要求的多孔鈦坯體。
[0013]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述多孔鈦坯體的制備工藝包括:
(1)欽楽■料的制備；
(2)聚氨酯泡沫浸漬鈦漿料；
(3)尚;1_1、去除多余欽楽料；
(4)坯體干燥；
(5)重復(2)~(4)步驟多次得到符合要求的多孔鈦坯體。
[0014]所制備的生物活性多孔鈦醫用植入材料的孔隙率可通過選擇不同孔徑聚氨酯泡沫和掛漿次數控制在60~90%，抗壓強度彡1MPa0
[0015]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述步驟
(5)中可使用具有不同固液比的鈦漿料。
[0016]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，可通過在步驟(2)中使用多種(如2~3種)不同孔徑結構聚氨酯泡沫的組合體進行浸漬，制備得到具有梯度孔結構的多孔鈦。
[0017]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述步驟(I)具體為采用粒徑< 50微米的純鈦粉或鈦合金粉作為原料，以PVA為粘結劑，所述PVA溶液的溶劑為水和乙醇的混合物，其中乙醇的含量為15~50% ;所述鈦漿料中鈦粉與PVA溶液的固液比3~10g/10mL，優選8g/10mL、6g/10mL及3g/10mL。進一步的，所述PVA的濃度范圍為2~8%，優選5%。本發明提出一種改進的有機泡沫浸漬工藝，即以水和乙醇的混合物為溶劑制備鈦漿料，并調節多次掛漿的固液比、離心力等參數制備孔結構均勻的多孔鈦基體材料，并采用后續表面化學和電化學處理在多孔鈦基體材料表面制備由致密氧化鈦底層、氧化鈦凝膠中間層及磷酸鈣外層的三層結構組成的表面生物活化層，從而得到一種生物活性多孔鈦醫用植入材料。該法的優點在于充分利用了乙醇的揮發性和消泡作用，控制鈦漿料的掛漿和流動性，減少氣孔數量，從而提高多孔鈦孔結構的均勻性和力學強度。此外，表面磷酸鈣/氧化鈦凝膠/致密氧化鈦三層結構可保持外層磷酸鈣的穩定性和附著力，并大幅提尚多孔欽的生物活性。
[0018]作為可選方式，在上述的生物活性多孔鈦醫用植入材料的制備方法中，所述多孔鈦坯體的燒結工藝為階段升溫方式的真空燒結，200 °C以下升溫速率為彡5 V /min,200-600 °C升溫速率為1~2 0C /min, 60