[發明專利]一種低彈性模量Ti?Ta?Ag生物材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710776781.7
• 申請日: 2017-08-31
• 公開（公告）號: CN107760923A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 聞明;張俊敏;譚志龍;王傳軍;趙宗彥;管偉明;張昆華
• 申請（專利權）人: 昆明貴金屬研究所
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;C22C1/04;A61L27/06
• 代理公司: 昆明今威專利商標代理有限公司53115
• 代理人: 賽曉剛

技術領域

本發明涉及一種Ti-Ta-Ag生物材料及其制備方法，屬于生物材料領域。

背景技術

自上世紀40年代以來，生物醫用材料己成為各國競相研究和開發的熱點。目前有70-80％的生物醫用材料為金屬材料，其中Ti及Ti合金在硬組織修復與替換材料領域已逐漸占主要地位，成為首選的生物醫用金屬材料。

商業純Ti目前已成功應用于人體作為骨修復、替換材料及齒科材料，但純Ti存在彈性模量高、強度低等缺點。因此，一系列醫用植入Ti合金得以開發并應用,目前廣泛使用的有Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb、Ti-Ni等合金。然而，近幾年研究發現這幾類Ti合金仍存在一定的問題：V和Al會導致神經障礙等疾病，并會導致植入材料附近組織發生微粒聚集等問題；Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb的彈性模量是人骨彈性模量的4～10倍，容易造成“應力屏蔽”，引起種植體松動或斷裂；Ni元素也是頗具爭議的有毒元素之一，存在潛在的致敏、致畸和致癌的毒副作用。因此，發展無Al、無V，同時具有低彈性模量、較高強度的新型生物Ti合金成為目前生物醫用金屬材料的重點發展方向之一。

基于以上研究，人們逐漸開發了Ti-Mo、Ti-Nb、Ti-Ta、Ti-Ag等二元系及以二元系為基礎的多元系Ti合金。其中，Ti-Ta合金作為生物醫用金屬材料，在具備其它合金優異力學性能的同時，也具備較好的抗腐蝕性，而Ti-Ag中的Ag有利于提高Ti合金的抗腐蝕性和抗菌性。文獻一發現在所研究的Ti-(10～70wt％Ta)合金中,Ti-25wt％Ta具有最低的彈性模量和最高的強度/彈性模量比，從力學相容性的角度出發，該合金最有可能應用于生物金屬材料領域。文獻二指出Ti-Ta合金的彈性模量與Ta含量、相組成、相結構密切相關。文獻三中采用經球磨混合的Ti和Ag粉制備了多孔Ti-3Ag合金，發現添加Ag可以提高Ti合金的抗腐蝕性和抗菌性。文獻一、二中均采用電弧熔煉制備Ti-Ta，但對于Ti-Ta合金，由于熔點(Ti:1668℃；Ta:3017℃)和密度(Ti:4.51g/cm3；Ta:16.6g/cm3)的差異較大，導致Ti-Ta合金的制備工藝復雜，費時較長。

根據相關文獻，還未見用放電等離子體SPS燒結法制備Ti-Ta-Ag生物材料相關報道。基于此，本發明人提出了一種低彈性模量Ti-Ta-Ag生物材料及其制備方法。該鈦合金彈性模量低、硬度高，在避免高彈性模量鈦合金生物醫用材料會發生“應力屏蔽”效應的同時，提高了材料的強度。同時，該合金的制備方法燒結周期短，能有效限制燒結過程中的晶粒長大、獲得高質量的燒結體。該發明為生物醫用領域Ti合金體系的微觀結構與力學性能關系的研究提供參考數據，也為生物金屬材料的發展提供新思路。

文獻一Zhou Y.L.,Niinomi M.,Mater.Sci.Eng.C,2009(29):1061-1065.

文獻二Zhou Y.L.,Niinomi M.,J.Alloys Comp.,2008(466):535-542.

文獻三Hou L.G.,Li L.,Zheng Y.F.,Trans.Nonferrous Met.Soc.China,2013(23)：1356-1366

發明內容

本發明的目的在于提供一種低彈性模量Ti-Ta-Ag合金生物材料及其制備方法，所述Ti-Ta-Ag合金，彈性模量低、硬度高，在避免高彈性模量鈦合金生物醫用材料會發生“應力屏蔽”效應的同時，提高了材料的強度。從而為無Al、無V，同時具有低彈性模量、較高強度的新型生物Ti合金發展提供了新思路。本發明的另一目的在于提供一種獲得上述Ti-Ta-Ag合金生物材料的制備方法。

為實現第一目的，所述所述Ti-Ta-Ag合金成分為Ti含量70.5～74wt％，Ta含量25wt％，Ag含量1～4.5wt％。該合金的彈性模量在57～108GPa間,腐蝕電流密度在0.352～4.194μA/cm^-2間。且合金由Ti的α相、馬氏體α＂相、β相，及Ag組成，其中Ag作為析出相存在。合金致密度達到理論密度的95～99.8％，維氏硬度為319～437HV。

本發明的另一目的是這樣實現的，所述Ti-Ta-Ag合金采用SPS的方法制得，具體制備方法包括如下步驟：

(1)選擇Ti、Ta、Ag粉末為原料，其中Ti粉平均粒徑30～50μm，Ta粉平均粒徑10～30μm，Ag粉平均粒徑6～10μm，粉末純度均≥99.9％。