鈦合金粉末及其配制方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于脊柱內固定類骨科植入物技術領域，具體涉及一種可用于骨修復的鈦合金粉末及其配制方法和應用。
【背景技術】
[0002]人體骨骼是具有一定硬度和彈性的組織，支持人體直立行走和保護體內重要臟器。在外力或疾病作用下骨骼可以發生骨折或磨損，而需要應用植入物進行必要的修復，或直接替代骨骼的功能。目前，我國城鄉交通事故發生率的不斷增大引起的創傷明顯增多，同時我國人口老齡化以及人們對生存質量的重視等因素將會使我國對骨科植入物的需求量迅速增長。臨床上應用的骨科植入物材料主要包括不銹鋼、鈷鉻合金和鈦合金等。鈦及鈦合金材料由于其低彈性模量、高比強度、優異的生物相容性和耐腐蝕性等特點，被廣泛應用于人工關節(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關節等)、骨創傷產品(髓內釘、固定板、螺釘等)、脊柱矯形內固定系統等骨科領域。
[0003]脊柱矯形內固定產品最終將應用于具有復雜形態結構的人體脊柱系統，且需達到不同的治療目的。因此，該類產品大多是具有非常復雜三維結構外形(如外部切槽，橫孔，齒形凸臺等)和優良生物學性能(包括生物相容性和生物力學性能)的異形件。目前，用于脊柱矯形內固定產品制造的鈦合金種類主要是T1-6A1-4V，而V (釩)等為細胞毒性元素，長期埋入人體內，有可能溶解成自由的單體進入體液，從而造成對生物體的毒害；同時鈦合金骨科植入物產品大多數采用:(I)傳統的真空自耗熔煉一鍛造一機加工方式生產，此方法工藝流程長、設備多、成材率低，后續加工繁瑣，導致制備成本很高，難以自動化批量生產；
(2)鑄造方式生產，該生產工藝可獲得形狀復雜的凈形或近凈形產品，但鑄造過程中材料的成分偏析、疏松、縮孔等缺陷難以避免，材料性能較低。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種低細胞毒性、低制備成本的鈦合金粉末及其配制方法和應用，該應用可實現一次成形復雜三維結構和大批量生產原材料利用率高、成本低廉、力學性能優異的骨科植入物異形件。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種鈦合金粉末，所述鈦合金粉末包括以下質量分數的組分:
鋁粉(Al) 2%?7%，
鉬粉(Mo) 2%?8%，
鐵粉(Fe) 2%?6%，
其余為鈦粉(Ti)。
[0006]上述的鈦合金粉末中，優選的，所述鈦粉的粒度控制在-100目?-500目，所述鋁粉、鉬粉、鐵粉的粒度均控制在-100目?-400目。
[0007]一種上述的鈦合金粉末的配制方法，所述方法包括按照所述質量分數稱取鋁粉、鉬粉、鐵粉和鈦粉，經混合后，得到鈦合金粉末。
[0008]一種上述的鈦合金粉末或者上述配制方法制得的鈦合金粉末在脊柱內固定類骨科植入物異形件制備領域的應用。
[0009]上述的應用中，所述應用包括以下步驟:
(O喂料制備:將所述鈦合金粉末與粘結劑混合，所得混合物中粘結劑的體積分數占40%?60%，將混合物進行加熱混煉，混煉溫度為110°C?138°C，然后冷卻、制粒，得到喂料；
(2)注射成形:將喂料注射于模具中，注射溫度為150°C?178°C，注射壓力為8MPa?13.5MPa，注射速率為系統注射速率(即系統的最大注射速率)的40%?90%，模具溫度控制在30°C?45°C，模具壓力控制在5MPa?9.5MPa，經保壓和冷卻后，得到生坯；
(3)脫脂:將生坯先進行溶劑脫脂，然后進行熱脫脂，得到脫脂坯；
(4)燒結:將脫脂坯置于燒結爐中，先在真空條件下加熱升溫至852°C?1080°C，然后在氬氣氣氛下升溫至1200°C?1550°C進行燒結，燒結時間為2h?4.5h，自然冷卻至室溫，得到脊柱內固定類骨科植入物異形件。
[0010]上述的應用中，優選的，還包括步驟(5)仿生沉積羥基磷灰石涂層:將所述脊柱內固定類骨科植入物異形件置于濃度為4mol/L?6mol/L的NaOH溶液中，于60 V?80°C下水浴24h?48h，經清洗、干燥后，放入熱處理爐中，以5°C /min?10°C /min的升溫速率加熱升溫至700°C?900°C，保溫Ih?3h后，自然冷卻；將堿熱處理后的脊柱內固定類骨科植入物異形件浸入模擬體液中，先在4°C環境下保存24h?32h，然后轉移至36.5°C?37°C水浴7天?14天，得到帶羥基磷灰石涂層的脊柱內固定類骨科植入物異形件。
[0011]上述的應用中，優選的，所述粘結劑為由聚丙烯、植物油、增塑劑、石蠟組成的混合物或者由聚丙烯、植物油、增塑劑、石蠟、微晶蠟組成的混合物；所述粘結劑中，聚丙烯、植物油、增塑劑、石蠟、微晶蠟的質量比為30?40: 10?30: 5?10: 30?40: O?20。
[0012]上述的應用中，優選的，所述步驟(2)中，所述注射溫度為162°C?178°C，所述注射壓力為10.5MPa?13.5MPa，所述注射速率為系統注射速率的35%?75%，所述模具壓力控制在 8.5MPa ?9.5MPa。
[0013]上述的應用中，優選的，所述步驟(4)中，先在真空條件下加熱升溫至900°C?105CTC，然后在氬氣氣氛下升溫至1380°C?1550°C進行燒結。
[0014]上述的應用中，優選的，所述步驟(I)中，所述混煉的時間為Ih?5h ;所述步驟
(2)中，所述保壓的時間為0.5s?10s，所述冷卻的時間為15s以上；所述步驟(3)中，所述溶劑脫脂采用的溶劑為二氯甲烷，所述溶劑脫脂的溫度為25°C?30°C ;所述熱脫脂的溫度為600°C?900°C，所述熱脫脂的氣氛為真空或氬氣氣氛；所述步驟(4)中，所述脫脂坯在真空條件下加熱升溫的速率為1°C /min?5°C /min,在氬氣氣氛下升溫的速率為10°C /min?15°C /min。
[0015]本發明中，模擬體液優選按照每100ml模擬體液中含NaCl 7.996g，NaHCO30.350g，KCl 0.224g，K2HPO4.3H20 0.228g，MgCl2.6H20 0.305g，CaCl2 0.278g，Na2SO4
0.071g，(CH2OH) 3CNH2 6.057g進行配制，溶劑為雙蒸水，用lmol/L的HCI溶液調節模擬體液PH值為7.40，配制完成后，將模擬體液放置4°C冰箱保存備用，但本發明可采用的模擬體液不限于此。
[0016]與現有技術相比，本發明的優點在于:
(I)本發明的鈦合金粉末中去除了具有細胞毒性的V元素，添加了無細胞毒性的Fe、Mo等合金元素。
[0017](2)本發明將鈦合金粉末應用于制備脊柱內固定類骨科植入物異形件，應用方法采用金屬粉末注射成形方法，一次成形制備三維外形結構復雜的鈦合金脊柱內固定類骨科植入物異形件。在該應用中，原材料鈦合金粉末的選擇異常關鍵，材料本身需具備良好燒結性能和成本控制(Fe、Mo合金元素較高熔點的無細胞毒性金屬元素其燒結成本更低)，同時產品的力學性能較TC4優良。本發明采用的超細合金粉末，可充分保證產品的致密度和表面光潔度。
[0018](3)本發明為實現一次成形制備復雜形狀異形件產品的要求，通過設計新的粘結劑配方保證喂料的良好流動性充填模腔并能有效脫除，保證產品的高精度，尺寸精度達到土(0.3% ?0.5%)。
[0019](4)本發明的應用中金屬粉末注射成形工藝參數的控制和優化對實現鈦合金異形件產品的優異力學性能至關重要，本發明中通過優化控制注射參數、脫脂參數和燒結速率及溫度，保證鈦合金骨科植入物異形件產品的高致密度和優異的性能。
[0020](5)本發明通過金屬注射成形技術一次成形制備復雜三維結構的脊柱內固定類骨科植入物鈦合金異形件，產品具備良好的生物相容性和力學性能，可以實現模具大批量生產，自動化程度高；由于產品是一次成形，不需要進行機加工，減少了材料消耗，原材料利用率高，生產成本大大降低，且擴大了金屬注射成形工藝在脊柱內固定類骨科植入物產品領域的應用范圍。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例中模具的結構示意圖。
[0022]圖2為本發明實施例中模具的外觀示意圖。
[0023]圖3為本發明實施例中脊柱內固定類骨科植入物異形件的立體結構示意圖。
[0024]圖例說明:
1、灌注口 ；2、型腔。<