骨科植入物異形件的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于骨科植入物制備技術領域，涉及一種骨科植入物異形件的制備方法，具體涉及一種金屬粉末注射成形技術制備鈦合金骨科植入物異形件的方法。
【背景技術】
[0002]骨損傷是人體最常見的疾病之一，人體骨骼在外力或疾病作用下可以發生骨折或磨損，從而需要通過手術應用人工骨科植入物進行必要的修復，或直接替代骨骼的功能。目前全球每年約300萬人由于外傷或疾病需要骨修復。隨著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。
[0003]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。骨科植入物產品最終將應用于具有復雜形態結構的人體骨骼系統，且需達到不同的治療目的。因此，該類產品大多需要具有復雜三維結構外形(如外部切槽，外螺紋，橫孔，齒形凸臺等)且生物力學性能優良的異形件。目前，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的制備方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案:
一種骨科植入物異形件的制備方法，包括以下步驟:
(1)喂料制備:將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，得到骨科植入物異形件。
[0006]上述的制備方法中，優選的，所述制備方法還包括步驟(5 )仿生沉積羥基磷灰石涂層:將所述骨科植入物異形件置于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，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骨科植入物異形件。
[0007]上述的制備方法中，優選的，所述步驟(5)中，所述NaOH溶液的濃度為4mol/L?6mol/L ;所述加熱升溫的速率為5°C /min?10°C /min。
[0008]上述的制備方法中，優選的，所述鈦合金粉末為超細霧化粉末，所述鈦合金粉末的平均粒徑為2 μ m?20 μ m。
[0009]上述的制備方法中，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。
[0010]上述的制備方法中，優選的，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。
[0011]上述的制備方法中，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。
[0012]上述的制備方法中，優選的，所述步驟(4)中，先在真空條件下加熱升溫至900°C?1050°C，然后在氬氣氣氛下升溫至1380°C?1550°C進行燒結。
[0013]上述的制備方法中，優選的，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25V?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。
[0014]上述的制備方法中，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(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，NaHCO3
0.350g，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)本發明通過金屬注射成形技術一次成形制備具有復雜三維外形結構的鈦合金骨科植入物異形件，產品具備良好的生物力學性能，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骨科植入物產品領域的應用范圍。
[0017](2)本發明采用金屬粉末注射成形技術制備鈦合金骨科植入物異形件產品的方案中，原材料粉末的選擇異常關鍵，材料本身需具備良好燒結性能的同時還要滿足產品優異的生物力學性能要求。本發明采用的超細鈦合金霧化粉末，充分保證產品的致密度和表面光潔度。
[0018](3)本發明通過設計新的粘結劑配方充分保證喂料的良好流動性充填模腔并能有效脫除，控制最終產品的變形量，尺寸精度達到土(0.3%?0.5%)，實現一次成形制備復雜三維形狀異形件產品。
[0019](4)本發明中金屬粉末注射成形工藝參數的控制和優化對實現鈦及鈦合金異形件產品的優異力學性能至關重要，本發明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精度和優異的性能。
[0020](5)本發明中優選在骨科植入物異形件上仿生沉積羥基磷灰石涂層，使骨科植入物異形件具有表面生物活性和骨誘導性，有利于骨科植入物異形件與骨組織形成生物固定，實現植入體的長期固定。
【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。
【具體實施方式】
[0025]以下結合說明書附圖和具體優選的實施例對本發明作進一步描述，但并不因此而限制本發明的保護范圍。
[0026]實施例1:
一種本發明的骨科植入物異形件的制備方法，該骨科植入物異形件可用于脊柱，即脊柱內固定類骨科植入物異形件，該方法包括以下步驟:
(I)喂料制備:原料粉末采用TC4鈦合金霧化粉末，平均粒徑為2 μ m，粘結劑由40%聚丙烯、20%植物油、5%增塑劑和35%石蠟組成(按質量百分比計)。將粘結劑與TC4鈦合金霧化粉末混合，所得混合物中粘結劑的體積分數占43%，其余為TC4鈦合金霧化粉末，將混合物加入捏合機中，于120°C下混煉2h，冷卻后破碎制粒，得到流動性良好的均勻顆粒狀喂料。
[0027](2)注射成形:將顆粒狀喂料加入注射機并向模具(參見圖1和圖2，該模具可在市場購買得到，且本發明適用的模具不限于此，可根據實際需要進行選擇，其它實施例同此說明)中進行注射，注射溫度為162°C、注射壓力為IIMPa、注射速率為系統注射速率的65%，喂料經灌注口 I直至模具的型腔2，模具溫度控制在38°C，模具壓力控制在8.5MPa，保壓2s后，冷卻15s，制得生坯。
[0028](3)脫脂:采用溶劑+熱脫脂兩步脫脂法。先將生坯進行溶劑脫脂，采用的溶劑為二氯甲烷，設定溶劑脫脂的溫度為30°C，脫脂時間為8h，溶劑脫脂后，再進行熱脫脂，熱脫脂溫度為720°C，熱脫脂采用真空，制得脫脂坯。
[0029](4)燒結:將脫脂坯放入燒結爐中，先在真空條件下以升溫速率2°C / min加熱至900°C，然后在氬氣氣氛下以升溫速率10°C / min加熱至燒結溫度1550°C進行燒結，燒結時間為3h，燒結完成后，得到骨科植入物異形件，該骨科植入物異形件的結構如圖3所示。
[0030](5)仿生沉積羥基磷灰石涂層:將上述所得骨科植入物異形件制品置于4mol/LNaOH溶液中，在80°C水浴24h后清洗干燥；隨后放入熱處理爐，升溫速率為10°C /min，加熱至800°C，保溫lh，自然冷卻。將堿熱處理后的骨科植入物異形件浸入模擬體液SBF中，保存在4°C環境下24h，然后轉移至37°C水浴7天，在骨科植入物異形件表面形成羥基磷灰石涂層，得到帶羥基磷灰石涂層的骨科植入物異形件。
[0031]本實施例中，模擬體液SBF按照每100